Notlar:
- Empedans ve geçirgenlik gibi ilgili parametreler frekansa bağlı dinamik özelliklerdir.
- Ayrıca voltaj ve akım seviyelerinin yanı sıra sıcaklık, nem ve elektromanyetik alanlar gibi çevresel faktörlere de duyarlıdırlar.
- Empedans analizörleri, bu son derece dinamik niceliği doğru bir şekilde karakterize ederek mühendislerin bileşen parametrelerini anlamalarına yardımcı olur.
Tüm mühendisler direncin genellikle kötü haber olduğunu bilir. Isı üretir. Verimliliği azaltır. Bileşenleri yıpratır ve çalışma ömürlerini kısaltır.
Ancak direnç, akıma karşı oluşan tek muhalefet türü değildir. Daha karmaşık dalga formları söz konusu olduğunda (radyo uygulamalarında olduğu gibi), indüktörler ve kapasitörler son derece dinamik ve karmaşık olan farklı bir muhalefet türüne katkıda bulunur.
Empedans analizörleri, akım akışına yönelik bu genel karşıtlığı anlamak için tercih edilen cihazlardır. Bu makalede, empedans analizörlerinin ne işe yaradığını, nerede kullanıldığını, nasıl çalıştığını ve nasıl kullanılacağını öğrenin.
Empedans analizörü nedir?
Empedans analizörü, elektriksel bileşenlerin veya devrelerin empedansını ölçmek ve analiz etmek için kullanılan bir cihazdır. Empedans, bir devredeki direnç, endüktans ve kapasitansın birleşimidir ve alternatif akım (AC) ile çalışırken devredeki karşıt direncin ölçülmesidir. Empedans analizörleri, genellikle aşağıdaki parametreleri ölçer:
- Empedans (Z): Direnç ve reaktansın birleşimi.
- Reaktans (X): Endüktans ve kapasitansın oluşturduğu direnç türü.
- Faz açısı (θ): Gerilim ve akım arasındaki faz farkı.
- Direnç (R): Elektriksel direnç, devre elemanlarının enerji kaybını gösterir.
Ohm (Ω) cinsinden ölçülen empedans, alternatif akım akışına iki tür karşıtlıktan oluşur: direnç ve reaktans.
Reaktans, bir malzeme, bileşen veya devrenin endüktans ve kapasitanslarından kaynaklanan karşıtlıktır. Direnç frekansa bağlı değilken, endüktans, kapasitans ve dolayısıyla reaktansın tümü frekansa göre değişir.
Bu nedenle, empedans etkin bir şekilde dinamik bir özelliktir çünkü reaktansı sinyal frekansına göre değişir.
Şekil 1. Empedans, direnç ve reaktansın karmaşık bir niceliğidir
“Karmaşık empedans” terimi kullanılır çünkü matematiksel olarak gerçek ekseni (direnç) ve hayali ekseni (reaktans) olan iki boyutlu karmaşık bir düzlemde bir vektörle temsil etmek uygundur. Bu vektörün büyüklüğü toplam empedansı gösterirken, yönü bize voltaj ve akım arasındaki faz farkını anlatır.
Elektronik ve malzeme testlerinde empedans analizörlerinin bazı uygulamaları nelerdir?
Empedans analizi, AC dalga formları altında bileşenlerin, malzemelerin ve devrelerin karakterizasyonunun gerekli olduğu birçok endüstride kullanışlıdır. Empedans analizörlerinin çeşitli kullanımları aşağıda özetlenmiştir.
Voltaj kontrollü osilatörler, amplifikatörler, filtreler ve güç kaynakları gibi analog devreler ve bunların rezonatör ve indüktör gibi bileşenleri, rezonans frekansı ve kalite faktörü gibi empedans parametrelerinin sinyal seviyelerine ve frekanslarına duyarlı olduğu fenomenleri içerir.
Geniş empedans aralıklarına sahip analizörler kullanarak dinamik davranışlarını anlamak, optimum operasyonel tasarım ve verimlilik için çok önemlidir.
Analizörler, maksimum güç aktarımı ve minimum gürültü ile sinyal iletimi için antenlerde ve iletim hatlarında optimum empedans eşleşmesinin elde edilmesine yardımcı olur.
Ayrıca, hücresel ağ bileşenleri empedans ölçümlerine göre optimize edilir.
Empedans analizörleri, güç kayıplarını en aza indirmek için transformatörler ve jeneratörler gibi cihazları karakterize etmek için kullanılır. Ayrıca, dönüşüm verimliliğini ve güç kalitesini optimize etmek için güneş invertörleri gibi yenilenebilir enerji cihazlarında da kullanılırlar.
Empedans analizörleri, uçak ve uzay araçlarındaki iletişim bağlantılarını ve navigasyon sistemlerini test etmek ve optimize etmek için kullanılır.
Bataryaların, batarya yönetim sistemlerinin ve elektronik kontrol ünitelerinin empedans davranışları, güvenilirliği, güvenliği ve verimliliği artırmak için karakterize edilir.
Empedans analizörleri, iletken ve yarı iletken malzemelerin elektriksel özelliklerini incelemek için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bir empedans analizörünün LCR ölçüm cihazından farkı nedir?
Empedans analizörleri gibi, endüktans-kapasitans-direnç ölçerler (LCR ölçerler) de karmaşık empedansı ölçebilir. Ancak aşağıda listelendiği gibi yetenekleri ve kullanımları farklıdır:
Ölçüm ekranı: En büyük fark, LCR metrelerin anlık empedans değerlerini göstermesi, empedans analizörlerinin ise bir dizi frekansta empedans eğrilerini göstermesidir. İkincisinin grafiksel sunumu, test edilen cihazın (DUT) davranışı hakkında daha ayrıntılı bilgi sağlar. Bu, multimetre ile osiloskop arasındaki farka benzer.
Sinyal frekansı: Bir LCR metre sabit bir frekansta ölçüm yapar. Empedans analizörü bir frekans aralığını tarar.
Frekans aralığı: LCR metreler tipik olarak sadece düşük frekans seviyelerinde çalışır. Empedans analizörleri çok yüksek frekans aralıklarını destekler.
Kapasite: LCR ölçüm cihazları, temel sabit frekanslı empedans ölçümleri için düşük maliyetli, kullanımı kolay çözümlerdir. Empedans analizörleri, çeşitli empedans parametrelerini, rezonans analizini ve eşdeğer devre modellemesini destekleyen daha sofistike cihazlardır.
Empedans analizörleri nasıl çalışır?
Bilinmeyen empedansları ölçmek için her birinin çeşitli artıları ve eksileri olan birden fazla teknik vardır. Empedans analizörlerindeki ölçüm donanımı bu tekniklerden birini uygulamak üzere tasarlanmıştır. Yöntemler aşağıda özetlenmiştir.
Şekil 2. Köprü devre yöntemi Köprü devre yöntemi (D enstrüman ve Zx bilinmeyen empedans)
Bu geleneksel teknik, bilinmeyen empedansı bilinen bir referansla karşılaştırmak için basit bir köprü devresi kullanır.
Düşük frekanslı ölçümler için basit ve etkilidir. Ancak yüksek frekansları ve çok düşük empedans değerlerini desteklemez.
Şekil 3. Akım-gerilim ölçüm yöntemi için devre
Devreye veya bileşene bilinen bir voltaj uygulanır. Ortaya çıkan akım daha sonra empedansı hesaplamak için ölçülür.
Bu yöntem basit ve çok yönlüdür. Ancak, gerilim ve akım arasındaki faz ilişkisinin doğru bir şekilde hesaba katılması gerekir.
- Radyo frekansı (RF) IV yöntemi
Şekil 4. RF IV yöntemi için devreler
Bu teknik, IV yöntemini RF devrelerinde yaygın olan daha yüksek frekanslarda doğru çalışacak şekilde genişletir. Bu yüksek frekanslarda faz farklarını doğru bir şekilde ölçmek için daha sofistike tasarımlar içerir.
- Otomatik dengeleme köprü yöntemi
Şekil 5. Otomatik dengeleme köprü yöntemi
Bu yöntem, frekans değişirken köprü devresini otomatik ve dinamik olarak dengelemek için bir geri besleme mekanizması kullanır. Çok geniş bir frekans ve empedans aralığını yüksek doğrulukla destekler. Ancak donanım tasarımı daha karmaşıktır.
Elektronik bileşenlerin empedansını ölçmek için bir empedans analizörünü nasıl kullanırsınız?
Şekil 6. Empedans analizörü test kurulumu
Bireysel elektronik bileşenlerin empedans analizi için tipik yapılandırma şunları içerir:
- Empedans analizörü: Cihazın uçları, DUT'nin belirli tipinin özelliklerine uygun bir test fikstürüne bağlanır.
- Test düzeneği: Metin fikstürü, DUT'yi tutmak için ancak empedans özelliklerini değiştirmeden veya bunlara müdahale etmeden dikkatlice tasarlanmıştır.
- Kablo ve adaptör: Cihazın uçlarını ve test fikstürünün konektörlerini elektriksel olarak uyumlu hale getirmek için bir kablo ve adaptör kullanılabilir. Örneğin, Bayonet Neill-Concelman (BNC) tipi konektörler mevcuttur.
- DUT: Bu, belirli davranışlarına uygun bir test fikstürüne yerleştirilen test edilen bileşendir.
Devrelerdeki karmaşık empedansı ölçmek için bir empedans analizörü nasıl kullanılabilir?
Tam olarak teknik özelliklere uygun şekilde çalışan devre tasarımları, baskılı devre kartları (PCB'ler) ve PCB montajları (PCBA'lar) için devre bloklarının ve malzemelerinin empedans özelliklerinin doğru şekilde anlaşılması gerekir.
Bu özellikler sinyal frekansına, sinyal voltajına, sıcaklığa, neme ve benzer operasyonel faktörlere bağlıdır. Bu nedenle, empedans analizörleri aşağıda açıklandığı gibi kullanılır:
Devre bloklarını karakterize edin: Her bir ana devre bloğunun entegre edildiğindeki empedans davranışı, empedans analizörlerinden alınan ölçümlere dayalı olarak modellenir. Her bir devre bloğunun (bir amplifikatör alt sistemi veya bir filtre alt sistemi gibi) giriş ve çıkış empedansları ölçümlere dayalı olarak modellenmelidir.
Parazitlikleri ölçün: PCB'lerin ve bileşenlerin gerçek çalışma koşulları altındaki parazitik kapasitansları ve endüktansları ölçümlere dayalı olarak modellenmelidir. Bunlar özellikle hassas RF devrelerinde çok önemlidir.
PCB malzeme özelliklerini ölçün: PCB'de ve alt tabakalarda kullanılan malzemelerin geçirgenlikleri devre performansını ve elektromanyetik paraziti etkileyen kritik parametrelerdir. Bunlar empedans analizörleri kullanılarak gerçek çalışma koşulları altında ölçülmelidir.
Empedans analizörleri malzemelerin ve sensörlerin karakterizasyonuna nasıl katkıda bulunur?
Cihaz üreticileri, gofretlerinde, yarı iletkenlerinde ve PCB'lerinde kullanılan malzemelerin gerçek çalışma koşulları altındaki davranışlarını bilmelidir.
Empedans analizörleri aşağıdaki gibi ilgili ölçümleri destekler:
- yüksek empedanslarda ince tabaka malzemelerin geçirgenliği
- düşük empedanslarda manyetik malzemelerin geçirgenlik ölçümleri
- Ölçülen I-V karakteristiklerine dayalı olarak metal oksit yarı iletkenlerin imalatı sırasında oksit tabakasının kapasitansı ve substrat safsızlıklarının yoğunluğu
- kapasitörler, indüktörler ve mikro-elektromekanik sistem sensörleri gibi gofret üstü bileşenlerin özellikleri
Empedans analizörleri tipik olarak hangi frekans aralıklarını destekler?
Şekil 7. Farklı tasarımların ±%10 doğruluk için empedans ve frekans ölçüm aralıkları
Belirli bir analizör tarafından kullanılan ölçüm yöntemi, yukarıda gösterildiği ve aşağıda açıklandığı gibi desteklenen frekans ve empedans aralıklarını belirler:
Otomatik dengeleme köprüleri: Bu tasarım, en geniş empedans aralığında ve ikinci en geniş frekans aralıklarında olağanüstü doğruluk sunar. Birkaç Hertz'den (Hz) 110 megahertz'e (MHz) kadar tarama yaparken miliohm (mΩ) ila 100 megaohm (MΩ) ölçebilir. Ancak, empedans aralığı daha yüksek frekanslara doğru daralmaya başlar ve frekans 100 kilohertz'in (kHz) üzerine çıktıkça empedans aralığı 1 MΩ'a düşmeye başlar.
IV yöntemi: IV tipi analizörler de aynı hassasiyete sahiptir ancak daha küçük bir aralıkta çalışırlar. 40 Hz ila 100 MHz arasında tarama yaparken 100 mΩ ila 5 MΩ arasında ölçüm yapabilirler.
RF-IV yöntemi: Bu tip analizörler 1 MHz'den 3 gigahertz'e (GHz) kadar tarama yaparken 100 mΩ'dan 100.000 MΩ'a kadar ölçüm yapabilir.
İletim yansıma tekniği: Bu tip analizör 5 Hz ila 110 GHz arasında en geniş frekans aralığına sahiptir ancak doğruluğu 50-75 Ω empedans aralığı ile sınırlıdır.
Belirli bir uygulama için empedans analizörü seçerken hangi faktörleri göz önünde bulundurmalısınız?
Uygun bir empedans analizörü seçerken aşağıdaki hususları göz önünde bulundurun.
- Ölçüm yöntemi: Empedans ve frekans için beklenen ölçüm aralıklarına göre ölçüm yöntemini seçin.
- Gerilim seviyesi kontrolü: Bir kondansatörün dielektrik sabitinin ve dolayısıyla kapasitansının AC voltaj seviyesine bağlı olduğunu unutmayın. Benzer şekilde, bir indüktörün malzemesinin elektromanyetik histerezisi AC akım seviyesine bağlıdır. Bu nedenle, iyi bir analizör en azından voltaj seviyesi izleme özelliklerine sahip olmalıdır. Sabit bir voltajı korumak için otomatik seviye kontrol özelliği daha da iyi olacaktır.
- Ölçüm doğruluğu: Farklı analizörler ve tasarımları farklı doğruluk profillerine sahiptir. Analizöre gerekli doğruluğa göre karar verin.
- Gerekli empedans parametreleri: Cihazı, geçirgenlik, geçirgenlik, kalite faktörü (Q) veya dağılma faktörü (D) gibi ölçmek istediğiniz parametrelere göre seçin.
Sıcaklık ve çevre koşulları bir analizör kullanılarak yapılan empedans ölçümlerini nasıl etkiler?
Empedansın oldukça dinamik olduğunu unutmamak çok önemlidir. Sıcaklık, nem ve elektromanyetik parazit (EMI) gibi çevresel koşullar, aşağıda açıklandığı gibi ölçümleri büyük ölçüde etkileyebilir:
Sıcaklık: Çoğu direnç, indüktör ve kapasitör sıcaklığa bağımlıdır. Sıcaklık katsayıları empedans davranışında kritik faktörlerdir. Tercihen kontrollü bir laboratuvar ortamında sabit bir sıcaklık sağlayın. Sahada çalışıyorsanız, ani sıcaklık değişikliklerine maruz kalmayı en aza indirin.
Nem: Yüksek nem, bileşenlerin ve devrelerin elektriksel özelliklerini etkileyen yoğuşmaya neden olabilir. Nem gidericiler kullanarak düşük nemli bir ortam sağlayın.
Elektromanyetik parazit: EMI, özellikle yarı iletkenler veya yüksek frekanslı uygulamalar gibi hassas cihazlarda empedans ölçümlerini etkileyebilir. Harici elektromanyetik alanların etkilerini önlemek için korumalı bir ortamda ölçüm yapın.
Keysight empedans analizörleri
Keysight'ın yüksek doğruluklu empedans analizörleri paketi, aşağıdaki temel özelliklere sahip üç cihazdan oluşur:
E4990A empedans analizörü: E4990A, 20 Hz'den 120 MHz'e kadar tarama yaparak 25 mΩ ila 40 MΩ arasında ölçüm yapabilen otomatik dengeleme köprüsü tasarımına sahiptir.
E4991B empedans analizörü: E4991B, çoğu RF uygulaması için uygun olan 1 MHz ila 3 GHz tarama aralığı ile 120 mΩ ila 52 kΩ'u destekleyen bir RF IV tipi analizördür.
E5061B ENA vektör ağ analizörü: E5061B, yüksek doğruluklu RF uygulamaları için ağ analizi, empedans analizi ve kazanç/faz analizi özelliklerine sahip tam teşekküllü bir vektör ağ analizörüdür. 3L5/005 çözüm seçeneği, 5 Hz ila 3 GHz aralığında bir empedans analizi işlevi ekler. Ayrıca 40 VDC'lik bir DC bias kaynağı aracılığıyla doğru akım (DC) uygulamalarını da destekler.
Tüm bu cihazlar genel amaçlı arayüz veri yolu (GPIB), yerel alan ağı (LAN) ve evrensel seri veri yolu (USB) gibi veri aktarım arayüzlerini destekler.
