LCR-метр: що це таке і навіщо він потрібен

Так склалося, що найчастіше радіоаматори користуються трьома основними приладами — вольтметром, амперметром і омметром, але іноді виникають ситуації, коли для роботи потрібен складніший і рідкісніший прилад — LCR-метр.
Звісно, такі прилади бувають як професійними, так і «аматорськими», але спочатку розберімося, що це взагалі таке.

Нагадую: щоб завжди бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на акаунт

Також підписатися на оновлення та нові статті можна в телеграм-каналі — https://t.me/KirichBlog



Як уже зрозуміло з назви, прилад дає змогу вимірювати три основні величини:
L — індуктивність
C — ємність
R — опір

Звісно, ємність і опір можуть вимірювати більшість сучасних мультиметрів, але LCR-метри зазвичай роблять це точніше, у ширшому діапазоні, а також дають змогу виконувати додаткові вимірювання, наприклад добротності, коефіцієнта втрат, ESR (еквівалентного послідовного опору), причому на різних частотах.
Такий функціонал потрібен там, де звичайних мультиметрів уже недостатньо, наприклад під час діагностики несправностей імпульсних блоків живлення, перетворювачів напруги, радіочастотних кіл.

Типові приклади:
1. Резистори — найпоширеніший вид радіокомпонентів.


І якщо з поширеними номіналами проблем не виникає, то вимірювання низькоомних резисторів може ускладнити справу. Звичайний мультиметр часто може нормально виміряти опір близько 1–2 Ом і вище, а якщо він нижчий, то починають сильно впливати опір проводів і щупів та низька роздільна здатність. Навіть досить точний Uni-T 61E має в цьому режимі дискретність вимірювання лише 10мОм, тоді як навіть у недорогого LCR-метра мінімальна дискретність становить 0.1мОм.
Відповідно, мультиметром можна відносно точно виміряти резистори з опором від 0.05-0.1Ома, а під час вимірювання 10мОм він фактично вже нічого не покаже. Для порівняння нижче наведено вимірювання двох резисторів номіналом 1 і 2.2мОм.




Часто вимірювання малих опорів потрібне для перевірки та підбору/виготовлення струмовимірювальних шунтів. Альтернативний варіант — вимірювання за падінням напруги, але для цього потрібні регульований блок живлення, амперметр і вольтметр.


Можливість вимірювати малі опори також корисна для виявлення таких проблем, як неправильне маркування, особливо низькоомних резисторів.
Ліворуч резистор із маркуванням 0.1Ома, праворуч — 0.22Ома, але насправді їхній опір майже однаковий. Такі помилки іноді можуть коштувати дуже дорого.


Вимірювання малих опорів також може допомогти оцінити оригінальність польових транзисторів. Останнім часом на ринок дедалі частіше потрапляють підроблені та перемарковані транзистори. І хоча просте вимірювання опору у відкритому стані не дає повної інформації, воно дає змогу швидко зрозуміти, що перед вами.
Для перевірки, крім приладу, потрібна лише батарейка на 9 вольт. Зазвичай у даташитах наводять дані для напруги на затворі 10 вольт, але в цьому випадку це не має значення. Крім того, правильно вимірювати опір стік—витік під струмом, значення якого зазвичай указане в документації, але для цього потрібен щонайменше лабораторний блок живлення.
Щоб перевірити транзистор, під’єднуємо тестові щупи до виводів стоку та витоку (зазвичай середнього й правого) і подаємо 9 вольт на крайні виводи. Постійно подавати напругу не потрібно — достатньо зарядити ємність затвора. Але будьте уважні: не під’єднайте випадково батарейку до щупів приладу. Можна спочатку «зарядити» транзистор, а вже потім під’єднати щупи.


2. Конденсатори використовуються трохи рідше, але мають свої особливості. Наприклад, на відміну від резисторів, вони значно більше схильні до старіння, особливо якщо йдеться про електролітичні конденсатори, встановлені в імпульсних блоках живлення, перетворювачах материнських плат тощо.


Особливе значення має ESR конденсаторів. Іноді конденсатор висихає, майже не втрачаючи ємності, але його внутрішній опір значно зростає.
Звичайним мультиметром таку несправність не виявити: можна міняти все підряд, але це не завжди зручно, а часто ще й складно або дорого. Крім того, LCR-метри часто дають змогу виконувати вимірювання, не випаюючи компонент, хоча, звісно, це залежить від схеми підключення.

1. Більшість мультиметрів вимірює конденсатор як ідеальний, тобто не враховує його особливостей. Іноді цього достатньо, іноді — ні.
2. Складніші прилади вміють відокремлювати власне конденсатор від його внутрішнього опору й вимірювати ці параметри окремо.
3. Насправді еквівалентна схема конденсатора виглядає набагато складніше, і всі ці параметри також можна виміряти, але для цього потрібен зовсім інший клас приладів, які зазвичай не потрібні пересічним радіоаматорам.


Для прикладу порівняймо два конденсатори: дешевий китайський і фірмовий. Хоч точний, але звичайний мультиметр вважає їх майже однаковими, показуючи лише невелику різницю в ємності. Але якщо під’єднати конденсатори до LCR-метра, видно, що різниця у внутрішньому опорі між ними майже п’ятикратна! Якщо ви плануєте використовувати конденсатори в імпульсних блоках живлення, то саме ця різниця в опорі позначиться і на нагріванні, а отже, і на терміні служби, і на характеристиках блока живлення. Конденсатори з великим внутрішнім опором не можуть ефективно гасити викиди.



3. Дроселі, трансформатори й узагалі обмотувальні вузли, на відміну від конденсаторів і резисторів, перевіряти ще складніше, і мало який мультиметр узагалі має функцію вимірювання індуктивності.


Використання LCR-метра полегшує виготовлення обмотувальних вузлів, а також пошук міжвиткового КЗ. Порівнявши з справним компонентом або відомим значенням, можна легко зрозуміти, що трансформатор чи дросель несправний, адже в такому разі його індуктивність сильно зміниться.


Звісно, для пошуку короткозамкнених витків існують спеціальні прилади, але LCR-метр також дає змогу виявити цю проблему. Наприклад, ліворуч — справний трансформатор, праворуч — той самий, але з одним закороченим витком. Видно, що індуктивність обмотки стала суттєво меншою; цей виток також вплинув на результат вимірювання активного опору обмотки.


Розгляньмо кілька варіантів вимірювачів із різних цінових категорій, а також їхні переваги й недоліки.

Для початку, звісно, знаменитий транзистортестер Маркуса. Він існує у великій кількості варіантів: у корпусі й без, прості та з частотоміром, а також із функцією перевірки стабілітронів, саморобні й фабричні. Іноді його помилково називають ESR-метром, але це не зовсім правильно, адже спочатку це саме тестер транзисторів, а вимірювання ESR — лише одна з його функцій, яку додали набагато пізніше.
Крім того, цей прилад має дуже велику спільноту на відомому сайті vrtp, де також можна дізнатися, як прошити транзистортестер.
У мене є два варіанти саморобного виконання, причому один із них уміє вимірювати стабілітрони, перевіряти кварцові резонатори тощо.


Для початківця це, мабуть, справді вихід: такий тестер уміє вимірювати дуже багато різних компонентів. Особливо зручно перевіряти транзистори — наприклад, визначати, де в транзистора база, емітер і колектор. Але й конденсатори та резистори він перевіряє цілком нормально.


Але важливіше те, що цей тестер уміє вимірювати ємність та індуктивність, причому виконувати й комплексне вимірювання: наприклад, у дроселя показувати не лише індуктивність, а й активний опір обмотки; так само й у конденсаторів — не лише ємність, а й внутрішній опір (ESR).
Звісно, є й недоліки: через просту схемотехніку та двопровідне під’єднання компонента йому складно працювати з малими опорами.


Зараз з’явився своєрідний гібрид транзистортестера й осцилографа від Fnirsi. Особисто я його не випробовував, але, судячи з кількості замовлень, прилад популярний.



Наступний крок — спеціалізованіші пристрої, LCR-метри. Вони не вміють перевіряти параметри транзисторів, але, наприклад, індуктивність або малий опір вимірюють краще, ніж універсальний тестер. Типовий представник — LC100-A.
На відміну від попереднього приладу, прошивка esr-тестера закрита, тому оновити її неможливо.


Є й інші подібні вимірювачі, але, на жаль, у них залишився недолік універсального приладу — двопровідне під’єднання, тому на результат вимірювань можуть сильно впливати якість контакту з компонентом і довжина проводів. Калібрування esr-тестера, звісно, допомагає розв’язати проблему довжини проводів, але краще використовувати якомога коротші проводи великого перерізу.


Для досвідченіших є прилад, який можна віднести якщо не до професійних, то принаймні до близьких до них. Крім стандартних вимірювань, він дає змогу проводити комплексні вимірювання, а також вимірювати добротність і діелектричні втрати. До того ж цей прилад має чотирипровідне підключення.
Також цей прилад дає змогу проводити вимірювання на трьох частотах: 100 Гц, 1 і 7.8кГц.

Такий прилад продається як у вигляді конструктора для складання, так і у вигляді зібраного пристрою. У мене є докладний огляд цього приладу та процесу його складання.


Прилад може працювати як в автоматичному режимі вибору вимірюваної величини, так і в ручному. Краще користуватися ручним режимом, оскільки автоматика іноді неправильно визначає тип компонента.


Наявність чотирипровідного підключення одразу ставить XJW01 на голову вище за багато інших аматорських приладів. Таке підключення дає змогу розділити кола генератора струму та вимірювальної частини, тому довжина проводів і контактний опір більше не впливають на результати вимірювання.
Саме такий тип підключення використовується, мабуть, майже в усіх професійних приладах. Навіть там, де компонент підключається безпосередньо до клем приладу, застосовується спеціальна контактна група з чотирьох контактів.


Для підключення вимірюваних компонентів використовуються спеціальні затискачі, пінцети та виносні контактні групи. А оскільки для підключення в них також використовуються роз’єми BNC, то навіть фірмові пристрої сумісні з показаним вище XJW01.


Фактично все те саме є у фірмових, але відносно бюджетних LCR-метрів від компаній Uni-T і Hantek. Вони також мають чотирипровідне підключення, вимірюють ємність, індуктивність і опір, зокрема ESR, а також дають змогу проводити комплексні вимірювання.
Водночас сучасні прилади часто можуть вимірювати на частотах до 100кГц, що дає змогу тестувати компоненти на вищому рівні. Це може бути особливо корисним під час добору конденсаторів для роботи в сучасних імпульсних блоках живлення, робоча частота яких має порівнянне значення.


Варто також згадати пристрої, які можна віднести до початкового класу професійних, наприклад ET4401
Цікавий прилад, може, якось спробую його в роботі.



Але треба бути уважним: у продажу є багато подібних LCR-вимірювачів, і для них часто заявляють діапазон частот до 100 кГц. Однак якщо уважно прочитати інструкцію, стане зрозуміло, що в режимі вимірювання на такій частоті максимальна вимірювана ємність значно нижча. Для прикладу — інструкція до DT9935: на частоті 10кГц він може вимірювати до 200мкФ, а на 100кГц — лише до 2мкФ.


Далі йдуть уже прилади професійного класу, які найчастіше будуть надто дорогими для звичайного користувача. Багато в чому вони схожі на показані вище: часто використовується той самий принцип вимірювання, але елементна база, функціональні можливості, підключення до комп’ютера і, особливо, можливість повірки відносять їх до зовсім іншого класу. Звісно, вони виходять за межі цієї статті, але й зовсім забути про них було б неправильно. Наприклад, на фото LCR-метр Rohde & Schwarz HM8118, заявлена похибка — 0.05-0.5% (для XJW01 заявлено 0.3-0.5%), ціна — близько $3000.
З особливостей — вимірювання на частотах до 200кГц, до 12 вимірювань за секунду, напруга зміщення зовнішнього конденсатора до 40В.



Підсумовуючи все сказане вище, можна стверджувати, що для радіоаматора-початківця більш ніж достатньо звичайного тестера транзисторів, який покриє 90% його завдань. Досвідченим, найімовірніше, знадобиться складніший прилад, і тут можна розглядати або готові прилади брендів середнього рівня, або конструктори на кшталт XJW01. А тим, хто працює професійно, можливо, потрібен не просто прилад, а такий, що внесений до державного реєстру і для якого можна замовити метрологічну повірку. Це також відрізняє професійні прилади від аматорських, хай навіть якісних.