El factor Q medido del circuito LC no se corresponde con el calculado y simulado

Todavía tengo un problema con el valor medido del factor Q del circuito LC en paralelo. Mi configuración de medición se ve como en la imagen de abajo. Uso el generador de funciones SFG-1003 y el osciloscopio Rohde-Schwarz RTB2002.ingrese la descripción de la imagen aquí

Mi circuito LC consta de:

L= 33,4 uH R= 0,3 Ω C=32,63 nF

Usando la ecuación, obtenemos el factor Q de 106.ingrese la descripción de la imagen aquí

También simulé mi circuito LC y usando la ecuación

ingrese la descripción de la imagen aquí

obteniendo el factor Q de 101.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Pero el problema es con mis medidas. Seguí este tutorial para obtener un factor Q: https://www.giangrandi.ch/electronics/ringdownq/ringdownq.shtml

pero mis resultados me dan el factor Q casi nada. También traté de obtener la frecuencia resonante con mi generador de señal e hice mediciones de ancho de banda (0.707 multiplicado por amplitud) pero es lo mismo que con el método de reducción de llamada. Adjunto mis resultados.

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

En mi opinión, el problema es solo con la configuración de las mediciones, pero no sé cómo usar un generador de funciones para un circuito LC, que tiene una impedancia variable. En el circuito LC en paralelo, la impedancia es bastante alta en resonancia, entonces, ¿cómo puedo medir correctamente el factor Q del circuito LC? Se me ocurrió una idea de usar un amplificador operacional para resolver un problema con la adaptación de impedancia. O el problema es otro?

Gracias

!!!¡¡¡EDITAR!!!

Edité mi circuito. Coloque otra bobina en el lado primario con generador. Luego coloqué una bobina secundaria con un capacitor (donde mido el factor Q) cerca, para tener un sistema débilmente acoplado (10 cm). La inductancia de la bobina primaria es de 3,5 uH y la inductancia de la bobina secundaria es de 187 uH. Hice algunas mediciones con diferentes valores de condensador para obtener frecuencias resonantes (60 kHz - 300 kHz).

Con esta configuración de medición, hice los mismos experimentos (método de reducción de anillo + relación de frecuencia de resonancia y ancho de banda). Obtuve los resultados adjuntos a continuación:ingrese la descripción de la imagen aquí

Condensadores usados ​​[32nF 13.3nF 5.6nF 1.5nF] Como puede ver, los valores medidos del factor Q y luego los valores calculados del factor Q usando SOLAMENTE la resistencia de CC de la bobina (2,1 ohmios). Con el aumento de la frecuencia de resonancia también aumenta la diferencia entre los valores calculados y medidos. Esta es probablemente una evidencia de la resistencia de CA (causada por el efecto pelicular, el efecto de proximidad, etc.)

Bobina con 187uH, longitud=6m, Diámetro=0.3mm, alambre de cobre, 3 capas.

Hice otra configuración de medición como se muestra en la imagen a continuación. Con L=187uH y C=1.5nF. Da una frecuencia de resonancia alrededor de 300kHz. El generador de señal se sintonizó a 300 kHz. Y medí VPP2 y VPP1.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Cuando la reactancia de la bobina y el capacitor es igual en magnitud, entonces el circuito LC paralelo en resonancia es puramente resistivo. Entonces, cuando veo en mi osciloscopio VPP2 = 2 * VPP1 (2 * debido a la coincidencia de impedancia), obtengo una resistencia paralela del circuito LC Rp.

Mi resistencia se ajustó a 9.9kOhm. Usando la ecuación (circuito RLC paralelo) Q=R*sqrt(C/L), da Q = 28 (el valor medido usando el método de ancho de banda fue Q=30)

En mi opinión, las bobinas estaban sueltas, por lo que el efecto de amortiguación de la bobina primaria no fue tan significativo. ¿Cree que la resistencia de CA del circuito LC puede ser 5 veces mayor que la resistencia de CC en frecuencias de alrededor de 300 kHz?

probablemente no sea su problema, pero el generador de señales que está utilizando tiene un tiempo de subida bastante lento: <100ns dice la hoja de datos. Si usó algunos controladores CMOS de alta velocidad, debería poder obtener <10 ns y también reducir un poco la impedancia de la fuente. gwinstek.com/en-global/products/downloadSeriesDownNew/5826/490
Definitivamente, eso es cierto. El flanco ascendente no es perfectamente recto y la constante de tiempo del flanco ascendente del generador de señal es bastante alta. Ese es también otro efecto sobre la evidencia amortiguadora. Gracias

Respuestas (4)

La resistencia de 0,3 ohmios tal vez no sea cierta a frecuencias más altas debido al efecto piel. Pero la conexión al generador de señal debe mantenerse muy floja para evitar que sus 50 ohmios afecten el resultado. Inserte un condensador en serie con el generador de señal. Pruebe uno que tenga una reactancia 100 veces mayor que las partes LC en el circuito resonante en el rango de frecuencia interesante. Supongo que puedes usar alrededor de 150pF.

Puede intentar desconectar un extremo del capacitor de 36,2 nF, cargar la tapa con CC y luego conectarlo nuevamente con un interruptor de mercurio u otro método sin rebote. El voltaje del circuito LC (=seno decreciente) se puede almacenar en un osciloscopio. Puede decidir la frecuencia resonante real y Q a partir del seno decreciente.

AGREGAR después de obtener el grosor del cable y la longitud de la bobina : no es el efecto de la piel quien tira de la Q hacia abajo. Suponiendo que la medición se realice correctamente, quedan "otras pérdidas". Supongo que su bobina está demasiado cerca de algún material con pérdidas. Trate de mantenerlo alejado de todo, incluido el papel, la madera, los plásticos desconocidos, etc. Déjelo colgando en el aire.

Gracias por tu consejo. Probé con un capacitor de 22pF y una distancia entre el circuito LC y las sondas del generador de más de 5 cm... factor Q medido menos de 100... mucho más bajo que lo calculado...
El acoplamiento inductivo muy flojo hace lo mismo que el acoplamiento con un condensador pequeño. Supongo que su bobina tiene mucha más resistencia que 300mOhm. ¿Cuál es la resistencia de su bobina a 152kHz? (= resistividad del material del cable, el grosor del cable, la longitud del cable y el efecto de la piel, todo tomado en cuenta)
La resistencia de CC medida de la bobina es R = 0,3 ohmios. La resistencia de CA calculada (157 kHz, D=0,67 mm, L=3) es de alrededor de 0,145 ohmios. El factor Q calculado sigue siendo mucho más alto que el medido, más de 10 veces.
Lo intenté con muchas bobinas pero siempre en el rango de frecuencia resonante (50kHz - 150kHz). sigue siendo el mismo problema.
L=3? es esa longitud de cable. ¿Cuál es la unidad?
perdon 3 metros.. aproximadamente, entre 2.5-3m
OK, el efecto piel no es la causa. Fue una mala suposición.
Muchas gracias, probablemente tenías razón con ''otras pérdidas''. No causado por elementos cercanos, sino probablemente por otras pérdidas como el efecto piel, el efecto de proximidad, etc. Actualicé mis resultados y la evidencia del aumento de la resistencia es clara. Simplemente no puedo clasificar estas pérdidas, no creo que el efecto de la piel aumente la resistencia de manera tan significativa.

Mi circuito LC consta de:

L= 33,4 uH R= 0,3 Ω C=32,63 nF

No del todo cierto; también existe la impedancia de 50 ohmios del generador de señal que carga en paralelo el LC. Necesitaría conducir este circuito de manera diferente, es decir, con una fuente de corriente si quisiera medir el factor Q: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

La frecuencia de resonancia está en 152,524 kHz y el punto de 3 dB está en 153,241 kHz. Por lo tanto, el ancho de banda superior e inferior de 3 dB es 1,434 kHz y la Q es la frecuencia central dividida por el ancho de banda es: -

152.524 1.434 = 106.36

En mi opinión, el problema es solo con la configuración de las mediciones, pero no sé cómo usar un generador de funciones para un circuito LC, que tiene una impedancia variable.

Correcto.

Gracias por tu consejo. Hoy probé algunos experimentos con una fuente de voltaje de CC y un transistor para entregar más potencia al sistema. Así que conecté mi circuito LC a la fuente del transistor y obtuve el valor del factor Q correcto pero con una frecuencia 10 veces mayor. De todos modos, haré algunos experimentos con la fuente actual.
¿A qué frecuencia mediste y a qué frecuencia calculaste que resonaría?
Frecuencia medida: 1,6MHz Factor Q medido: 59 Frecuencia calculada: 157kHz Factor Q calculado: 66,2
Bueno, tal vez tuviste un valor de inductancia incorrecto porque debería estar alrededor de 150 kHz. Me concentraría en resolver esto antes de continuar.
Gracias, pero no creo que el problema sea el valor de la inductancia, según mis valores anteriores, la frecuencia de resonancia calculada es de 152 kHz y la frecuencia de resonancia medida es de aproximadamente 160 kHz. diferencia es menos del 10 por ciento. El impacto sobre el valor calculado del factor Q sería mínimo. E hice el mismo experimento con muchas bobinas y todas son iguales. Como dije, el problema probablemente sea con la configuración de la medición...
Bueno, si ha terminado con esta pregunta, considere aceptar formalmente la respuesta que sea más apropiada.
¿Llegaste al fondo de este problema @Kols?
Seguí todas las configuraciones de medidas que publiqué anteriormente y todas me dieron el mismo resultado del factor Q... parece que la constante de amortiguamiento de LC es alta... importante es que el factor Q del circuito LC está limitado por el factor Q de la bobina...
Pero, su pregunta básica sobre el uso del generador de señales a través de la bobina se abordó en mi respuesta, ¿sí?
Sí. No puede usar un generador de señal con una impedancia de 50 ohmios directamente al circuito LC si desea medir el factor Q. Entonces el factor Q se ve afectado por la impedancia de entrada.
Bueno, parece que ha ampliado bastante su pregunta desde que la planteó por primera vez, pero si cree que se ha abordado el problema subyacente original, debería considerar elegir formalmente la respuesta correcta o dejar una respuesta propia que explique cuál fue la solución. .

Tres cosas a considerar

  1. Tolerancias de componentes. Es posible que los valores que ha seleccionado no sean físicamente esos valores. Fácilmente puede haber +-10%
  2. El inductor tendrá resistencia para ayudar a amortiguar la oscilación.
  3. El método de reducción requiere que excite el circuito a su frecuencia de resonancia. Tu LC tiene una resonancia de 1,6 MHz mientras lo has excitado a ~40 KHz
Gracias por su comentario, la resistencia de CC de la bobina es parte de mi circuito R = 0,3 ohmios y creo que en frecuencias relativamente bajas (1-100 kHz) el efecto de piel no afecta tanto como para cambiar significativamente la resistencia calculada. ¿Cómo puedo ver el efecto de amortiguación si entro en la frecuencia resonante? Mi circuito LC tiene una resonancia de alrededor de 160 kHz y el circuito de excitación que usa una señal de 1 kHz me da una vista de la disminución logarítmica del circuito LC amortiguado, que no se puede ver en la frecuencia resonante.
no, excita el circuito a una frecuencia mucho menor que fo: los 40 kHz están bien. El borde es lo que hace que el circuito suene, la frecuencia de la onda cuadrada es solo para que sea fácil de ver en un osciloscopio analógico.
@danmcb no sé a qué te refieres. Excité circuito con onda cuadrada con frecuencia 1kHz. Exactamente por la razón de verlo claramente en el osciloscopio.
y aquí en mentiras POR QUÉ dije lo que hice. El método de reducción de llamada establece explícitamente que debe excitar el LRC en su resonancia "primero debe" sacudir "el resonador de alguna manera para que oscile a su frecuencia natural". El papel lo golpea con una onda cuadrada y por lo tanto contendrá los armónicos. Sin embargo, el OP ha indicado que está emocionado con una onda cuadrada, de hecho, fig3 es una onda sinusoidal. SI el OP está golpeando con una onda cuadrada, entonces está bien
@Kols mi comentario está dirigido al punto 3 de la respuesta de JonRB
@JonRB OK, ese es un buen punto.

Hay 3 temas separados. Primero, la resistencia del generador de 50 ohmios que se ha mencionado. En segundo lugar, está evaluando el valor de Q en serie y midiendo Q en paralelo. Por último, si la velocidad de borde del generador es inferior a 0,35/FR, esto también agregará un efecto de amortiguación.

Es posible que vea mi artículo aquí, ya que es un problema similar

https://www.signalintegrityjournal.com/blogs/8-for-good-measure/post/1288-measuring-a-scope-probe-requires-two-oscilloscope-channels-and-a-very-flat-signal- fuente

Gracias por tu comentario, sí, estoy tratando de resolver el problema de la impedancia. ¿Por qué crees que debería usar fórmula para paralelo? Wiki dice: En un circuito LC paralelo donde la pérdida principal es la resistencia del inductor, R, en serie con la inductancia, L, Q es como en el circuito en serie. Esta es una circunstancia común para los resonadores, donde el resultado deseado es limitar la resistencia del inductor para mejorar Q y reducir el ancho de banda. Además, LtSpice tiene una simulación que también se corresponde con la fórmula del circuito en serie.