Miernik LCR — co to jest i do czego służy

Tak się złożyło, że radioamatorzy najczęściej korzystają z trzech podstawowych przyrządów: woltomierza, amperomierza i omomierza. Czasami jednak pojawiają się sytuacje, w których do pracy potrzebny jest bardziej złożony i rzadziej spotykany przyrząd — miernik LCR.
Oczywiście takie przyrządy występują zarówno w wersjach profesjonalnych, jak i „amatorskich”, ale na początek wyjaśnijmy, czym właściwie są.

Przypominam: aby być na bieżąco z nowymi tematami na blogu, polecam obserwować mój Instagram. Będę tam publikować powiadomienia o wszystkich nowych wpisach, a może też pisać po prostu o czymś ciekawym — link do konta

Można też subskrybować aktualizacje i nowe artykuły na kanale Telegram — https://t.me/KirichBlog



Jak wynika już z nazwy, przyrząd pozwala mierzyć trzy podstawowe wielkości:
L — indukcyjność
C — pojemność
R — rezystancję

Oczywiście pojemność i rezystancję potrafi mierzyć większość współczesnych multimetrów, ale mierniki LCR robią to zazwyczaj dokładniej i w szerszym zakresie. Umożliwiają też wykonywanie dodatkowych pomiarów, na przykład dobroci, współczynnika strat czy ESR (rezystancji szeregowej zastępczej), a także pomiary przy różnych częstotliwościach.
Takie funkcje są potrzebne tam, gdzie zwykły multimetr już nie wystarcza, na przykład podczas diagnozowania usterek zasilaczy impulsowych, przetwornic napięcia i obwodów częstotliwości radiowych.

Typowe przykłady:
1. Rezystory — najpopularniejszy rodzaj elementów elektronicznych.


Przy popularnych wartościach nie ma problemu, ale pomiar rezystorów o małej rezystancji może sprawić trudności. Zwykły multimetr często poprawnie mierzy rezystancję rzędu 1–2 Ω i większą. Przy niższych wartościach duży wpływ zaczynają mieć rezystancja przewodów i sond oraz niska rozdzielczość. Nawet dość dokładny Uni-T 61E ma w tym trybie rozdzielczość pomiaru zaledwie 10 mΩ, podczas gdy nawet niedrogi miernik LCR ma minimalny krok 0,1 mΩ.
Jeśli więc multimetrem można w miarę dokładnie zmierzyć rezystory o rezystancji od 0,05–0,1 Ω, to przy pomiarze 10 mΩ praktycznie nic już nie zmierzy. Dla porównania poniżej pomiar dwóch rezystorów o nominalnej rezystancji 1 i 2,2 mΩ.




Pomiar małych rezystancji często jest potrzebny przy sprawdzaniu i dobieraniu lub wykonywaniu boczników pomiarowych. Alternatywą jest pomiar spadku napięcia, ale wymaga on regulowanego zasilacza, amperomierza i woltomierza.


Możliwość pomiaru małych rezystancji przydaje się również do wykrywania takich problemów jak błędne oznaczenia, zwłaszcza w przypadku rezystorów o małej rezystancji.
Po lewej rezystor oznaczony jako 0,1 Ω, po prawej jako 0,22 Ω, ale w rzeczywistości ich rezystancja jest niemal taka sama. Takie błędy mogą czasem sporo kosztować.


Pomiar małych rezystancji może też pomóc w ocenie, czy tranzystory polowe są oryginalne. Ostatnio na rynek trafia coraz więcej podróbek i przemarkowanych tranzystorów. Sam pomiar rezystancji w stanie przewodzenia nie daje pełnego obrazu, ale pozwala szybko zorientować się, z czym mamy do czynienia.
Do testu, oprócz przyrządu, potrzebna jest tylko bateria 9 V. W dokumentacji parametry najczęściej podawane są dla napięcia bramki 10 V, ale w tym przypadku nie ma to większego znaczenia. Poza tym prawidłowy pomiar rezystancji dren–źródło powinien być wykonywany przy przepływie prądu, którego wartość zwykle podano w dokumentacji. Wymaga to jednak co najmniej zasilacza laboratoryjnego.
Aby sprawdzić tranzystor, podłączamy sondy pomiarowe do wyprowadzeń drenu i źródła (zwykle środkowego i prawego), a do skrajnych wyprowadzeń przykładamy 9 V. Nie trzeba stale podawać napięcia — wystarczy naładować pojemność bramki. Trzeba jednak uważać, żeby przypadkiem nie podłączyć baterii do sond przyrządu. Można najpierw „naładować” tranzystor, a dopiero potem podłączyć sondy.


2. Kondensatory są używane nieco rzadziej, ale mają swoje cechy szczególne. Na przykład w przeciwieństwie do rezystorów znacznie bardziej się starzeją, zwłaszcza elektrolityczne kondensatory stosowane w zasilaczach impulsowych, przetwornicach na płytach głównych itp.


Szczególne znaczenie ma ESR kondensatorów. Zdarza się, że kondensator wysycha, niemal nie tracąc pojemności, ale jego rezystancja wewnętrzna znacznie rośnie.
Zwykłym multimetrem nie da się tego zdiagnozować. Można wymieniać wszystko po kolei, ale nie zawsze jest to wygodne, a często bywa trudne lub kosztowne. Ponadto mierniki LCR często pozwalają wykonywać pomiary bez wylutowywania elementu, choć oczywiście zależy to od sposobu jego podłączenia w układzie.

1. Większość multimetrów mierzy kondensator tak, jakby był idealny, czyli nie uwzględnia jego właściwości. Czasami to wystarcza, a czasami nie.
2. Bardziej zaawansowane przyrządy potrafią oddzielić sam kondensator od jego rezystancji wewnętrznej i mierzyć te parametry osobno.
3. W rzeczywistości schemat zastępczy kondensatora jest znacznie bardziej złożony, a wszystkie te parametry również można zmierzyć, ale wymaga to zupełnie innej klasy przyrządów, które zwykle nie są potrzebne przeciętnym elektronikom-amatorom.


Dla przykładu porównanie dwóch kondensatorów: taniego chińskiego i markowego. Choć dokładny, zwykły multimetr uznaje je za niemal identyczne, pokazując jedynie niewielką różnicę pojemności. Jeśli jednak podłączymy kondensatory do miernika LCR, okaże się, że różnica w ich rezystancji wewnętrznej jest prawie pięciokrotna! Jeśli planujecie używać kondensatorów w zasilaczach impulsowych, ta różnica w rezystancji wpłynie zarówno na nagrzewanie, a co za tym idzie na żywotność, jak i na parametry zasilacza. Kondensatory o dużej rezystancji wewnętrznej nie są w stanie skutecznie tłumić przepięć.



3. Dławiki, transformatory i ogólnie elementy nawinięte na rdzeniu są znacznie trudniejsze do sprawdzenia niż kondensatory i rezystory, a niewiele multimetrów w ogóle umożliwia pomiar indukcyjności.


Miernik LCR ułatwia wykonywanie elementów nawiniętych, a także wykrywanie zwarć międzyzwojowych. Porównując wynik z działającym elementem lub znaną wartością, można łatwo stwierdzić, że transformator albo dławik jest uszkodzony, ponieważ jego indukcyjność znacznie się wtedy zmienia.


Do wykrywania zwartych zwojów służą specjalne przyrządy, ale miernik LCR również pozwala zdiagnozować ten problem. Na przykład po lewej stronie jest sprawny transformator, a po prawej ten sam transformator, ale z jednym zwartym zwojem. Widać, że indukcyjność uzwojenia znacznie spadła; zwarty zwój wpłynął też na wynik pomiaru rezystancji czynnej uzwojenia.


Przyjrzyjmy się kilku miernikom z różnych przedziałów cenowych oraz ich zaletom i wadom.

Na początek oczywiście słynny tester tranzystorów Markusa. Występuje w wielu wariantach — w obudowie i bez, w prostych wersjach oraz z częstotliwościomierzem i funkcją testowania diod Zenera, jako konstrukcja samodzielna lub fabryczna. Czasem błędnie nazywa się go miernikiem ESR. To nie do końca poprawne, bo pierwotnie jest to tester tranzystorów, a pomiar ESR to tylko jedna z jego funkcji, dodana znacznie później.
Ponadto urządzenie ma bardzo dużą społeczność na znanej stronie vrtp, gdzie można też dowiedzieć się, jak wgrać firmware do testera tranzystorów.
Mam dwa warianty w wersji samodzielnie zbudowanej, przy czym jeden z nich potrafi mierzyć diody Zenera, sprawdzać rezonatory kwarcowe itp.


Dla początkującego to chyba naprawdę dobre rozwiązanie. Taki tester potrafi mierzyć wiele różnych elementów. Szczególnie wygodnie sprawdza się nim tranzystory — na przykład łatwo ustalić, gdzie jest baza, emiter i kolektor — ale całkiem dobrze radzi sobie też z kondensatorami i rezystorami.


Co ważniejsze, tester potrafi mierzyć pojemność i indukcyjność, a także wykonywać pomiar zespolony. Na przykład dla dławika pokazuje nie tylko indukcyjność, ale też rezystancję czynną uzwojenia; podobnie w przypadku kondensatorów — nie tylko pojemność, lecz także rezystancję wewnętrzną (ESR).
Oczywiście ma też wady: ze względu na prosty układ i dwuprzewodowe podłączenie trudno mu mierzyć małe rezystancje.


Pojawiło się też coś w rodzaju hybrydy testera tranzystorów i oscyloskopu firmy Fnirsi. Sam go nie testowałem, ale sądząc po liczbie zamówień, urządzenie jest popularne.



Kolejny krok to bardziej wyspecjalizowane urządzenia — mierniki LCR. Nie potrafią sprawdzać parametrów tranzystorów, ale na przykład indukcyjność czy małą rezystancję zmierzą lepiej niż tester uniwersalny. Typowym przedstawicielem jest LC100-A.
W przeciwieństwie do poprzedniego urządzenia firmware testera ESR jest zamknięty, więc nie można go aktualizować.


Są też inne podobne mierniki, ale niestety mają tę samą wadę co przyrząd uniwersalny — dwuprzewodowe podłączenie. Dlatego na wynik pomiaru może mocno wpływać jakość styku z elementem oraz długość przewodów. Kalibracja testera ESR pomaga oczywiście skompensować wpływ długości przewodów, ale najlepiej używać przewodów jak najkrótszych i o dużym przekroju.


Dla bardziej zaawansowanych jest przyrząd, który można zaliczyć — jeśli nie do profesjonalnych, to z pewnością do urządzeń zbliżonych do tej klasy. Oprócz standardowych pomiarów umożliwia wykonywanie pomiarów zespolonych, a także pomiar dobroci i strat dielektrycznych. Urządzenie ma przy tym połączenie czteroprzewodowe.
Pozwala również wykonywać pomiary przy trzech częstotliwościach: 100 Hz, 1 i 7,8 kHz.

Urządzenie można kupić zarówno jako zestaw do samodzielnego montażu, jak i w postaci zmontowanego urządzenia. Mam szczegółową recenzję tego urządzenia i opis jego montażu.


Urządzenie może automatycznie wybierać mierzoną wielkość albo pracować w trybie ręcznym. Lepiej korzystać z trybu ręcznego, ponieważ automatyka czasami błędnie rozpoznaje typ komponentu.


Połączenie czteroprzewodowe od razu stawia XJW01 o klasę wyżej niż wiele innych przyrządów amatorskich. Pozwala ono rozdzielić obwody źródła prądowego i części pomiarowej, dzięki czemu długość przewodów i rezystancja styków nie wpływają na wyniki pomiaru.
Taki rodzaj połączenia stosuje się chyba w niemal wszystkich przyrządach profesjonalnych. Nawet tam, gdzie komponent podłącza się bezpośrednio do zacisków urządzenia, używana jest specjalna grupa styków składająca się z czterech kontaktów.


Do podłączania mierzonych komponentów służą specjalne zaciski, pęsety i zewnętrzne zespoły styków. Ponieważ one również wykorzystują złącza BNC, są kompatybilne nawet z urządzeniami firmowymi, takimi jak pokazany wyżej XJW01.


W zasadzie to samo oferują markowe, ale stosunkowo niedrogie mierniki LCR firm Uni-T i Hantek. One również mają połączenie czteroprzewodowe i mierzą pojemność, indukcyjność oraz rezystancję, w tym ESR, a także wielkości zespolone.
Nowoczesne przyrządy często mierzą przy częstotliwościach do 100 kHz, co pozwala testować komponenty na wyższym poziomie. Może to być szczególnie przydatne przy selekcji kondensatorów do pracy we współczesnych zasilaczach impulsowych, których częstotliwość pracy jest zbliżona do tej wartości.


Warto też wspomnieć o urządzeniach, które można zaliczyć do podstawowej klasy przyrządów profesjonalnych, na przykład ET4401
Ciekawe urządzenie, może kiedyś sprawdzę, jak się sprawuje w praktyce.



Trzeba jednak uważać: w sprzedaży jest wiele podobnych mierników LCR, które często mają deklarowany zakres częstotliwości do 100 kHz. Jeśli jednak uważnie przeczytamy instrukcję, okaże się, że przy pomiarze z taką częstotliwością maksymalna mierzona pojemność jest znacznie mniejsza. Na przykład według instrukcji DT9935 przy częstotliwości 10 kHz można mierzyć pojemność do 200 µF, a przy 100 kHz — zaledwie do 2 µF.


Dalej mamy już przyrządy klasy profesjonalnej, które dla zwykłego użytkownika są zazwyczaj zbyt drogie. Pod wieloma względami przypominają te pokazane wyżej i często wykorzystują tę samą zasadę pomiaru, ale zastosowane podzespoły, możliwości, łączność z komputerem, a przede wszystkim możliwość wzorcowania zaliczają je do zupełnie innej klasy. Oczywiście wykraczają poza zakres tego artykułu, ale całkowite pominięcie ich byłoby nie na miejscu. Na zdjęciu znajduje się na przykład miernik LCR Rohde & Schwarz HM8118, o deklarowanym błędzie pomiaru 0,05–0,5% (dla XJW01 deklaruje się 0,3–0,5%), w cenie około $3000.
Do jego cech należą pomiary przy częstotliwościach do 200 kHz, do 12 pomiarów na sekundę oraz napięcie polaryzacji zewnętrznego kondensatora do 40 V.



Podsumowując, początkującemu radioamatorowi w zupełności wystarczy zwykły tester tranzystorów, który pokryje 90% jego potrzeb. Bardziej zaawansowanym najpewniej przyda się coś bardziej rozbudowanego — gotowy przyrząd marki ze średniej półki albo zestaw do samodzielnego montażu, taki jak XJW01. Z kolei osobom pracującym zawodowo może być potrzebny nie tylko przyrząd, ale taki, który figuruje w państwowym rejestrze i dla którego można zamówić wzorcowanie metrologiczne. To również odróżnia przyrządy profesjonalne od amatorskich, nawet tych wysokiej jakości.