เครื่องวัดค่า Q (Q-Meter): 2013

เครื่องวัดค่า Q (Q-Meter)

เครื่องวัดค่า Qหรืออาจเรียกอีกชื่อหนึ่งว่าQuality Factor หรือQ Factor คือเครื่องมือวัดทางไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ ชนิดหนึ่งที่ทำหน้าที่วัดค่าความเหนี่ยวนำ ความต้านทานที่ความถี่สูง และค่า Q ของขดลวด นอกจากนั้นยังสามารถใช้วัดตัวเก็บประจุค่าต่ำๆ ได้อีกด้วย

เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดอัตราส่วนของพลังงานที่เก็บสะสมไว้ในวงจรเรโซแนนซ์ต่อพลังงานที่ใช้ไปในวงจรนั้น Q จะมีค่าสูง เมื่อวงจรนั้นมีความสูญเสียพลังงานน้อย

โดยค่าของ Q Factor เป็นค่าที่ใช้ในการกำหนดความเที่ยงตรงของความถี่ที่ใช้ในกำทอนหรือสั่นพ้องของขดลวด ว่าครอบคลุมช่วงความถี่แคบ หรือกว้างมากน้อยเพียงใด ซึ่งถ้าขดลวดใดมีค่าความถี่ของการสั่นพ้องที่แคบ จะทำให้มีค่า Q Factor สูง ซึ่งหมายความว่า ขดลวดชนิดนั้นมีคุณภาพที่ดี

โดยที่ B มีหน่วยเป็นเรเดียนต่อวินาที สำหรับวงจรในแบบที่ยอมให้ความถี่ผ่านได้ในช่วงแคบๆนั้นจะมีค่า Q ที่สูงมากกว่า 10 และ ในวงจรผ่านแบบช่วงกว้างจะมีค่า Q น้อยกว่า 10

สรุป ช่วงความถี่แคบคือ มีค่า B < 0.01 ; Q > 10

ช่วงความถี่กว้างคือ มีค่า B > 0.01 ; Q < 10

การทำ Q Meter อย่างง่ายๆ

รูปที่ 1 ข้างล่างนี้ แสดงวงจรอย่างง่ายของเครื่องวัดค่า Q ซึ่งทำงานโดยทำให้เกิดเรโซแนนซ์ระหว่างขดลวดที่ต้องการทดสอบกับตัวค่าเก็บประจุที่ปรับค่าได้

รูปที่ 1 วงจรเครื่อง Q เบื้องต้น

เครื่องวัดค่า Q ในทางทฤษฎีจะถูกออกแบบลักษณะการทำงานของมันไม่มีผลต่อค่า Q ของขดลวด (คือ Q ของวงจรจะเป็น Q ของขดลวด) หรือผลของการทำงานของเครื่องวัดยอมรับได้ ซึ่งหมายถึง ตัวเก็บประจุที่ใช้ควรจะบริสุทธิ์ ความต้านทานอินพุตของโวลต์มิเตอร์ที่ใช้วัด E_Cควรเป็นอนันต์ และความต้านทานเอาท์พุตของแหล่งจ่ายแรงดันควรเท่ากับศูนย์

วงจรของเครื่องวัดค่า Q ในทางปฏิบัติ ตัวเก็บประจุที่ใช้จะเป็นแบบที่มีอากาศเป็นไดอิเล็กทริก ซึ่งจะมีการสูญเสีบต่ำจนตัดทิ้งได้ แรงดันที่ป้อนแก่วงจรจะมาจากออสซิลเลเตอร์พิสัยกว้าง ที่สามารถปรับขนาดและความถี่ในลักษณะรู้ค่าที่ปรับ โดยมีพิสัยของความถี่จาก 50 kHz ถึง 100 MHz จะจ่ายกระแสแก่ตัวต้านทานค่าต่ำที่ต่อขนาน (R_SH) ค่าของ R_SH จะต่ำมาก (ประมาณ 0.02 Ω) ซึ่งเหมือนกับไม่มีความต้านทานไปรบกวนวงจรออสซิเลเตอร์ ซึ่งมันจะแทนแหล่งต่อแรงดันมีขนาด E ที่มีความต้านทานภายในต่ำมาก สเกลของโวลต์มิเตอร์ที่วัดแรงดัน E นี้จะกำกับว่า "คูณ Q โดย (Multiply Q by)" เนื่องจากการตั้งแรงดัน E จะตั้งแรงดัน E จะตั้งตามดัชนี ซึ่งจะใช้คูณกับค่าที่อ่านได้จากโวลต์มิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอิมพิแดนซ์อินพุตสูงมาก เนื่องจาก Q ของวงจรก็คือส่วนขยายแรงดัน สเกลของโวลต์มิเตอร์จะถูกปรับเทียบเป็นค่า Q โดยตรง โวลต์มิเตอร์นี้ทำหน้าที่เป็นมิเตอร์เอาท์พุตของเครื่องวัด

ค่า Q Factor ของวงจรที่มีค่า Capacitor เราจะหาได้จากสูตร

การหาค่า Q Factor ของวงจรตามรูปที่ 1 เมื่อ R₁= 0.04 ΩR₂ = 100 MΩ L_xR_xC₀เป็นขดลวดที่ไม่รู้ค่า

รูปที่ 2 เครื่องวัดค่า Quality Factor

e_inเป็นแหล่งกำเนิด Voltage ที่รู้ค่าและคงที่ (0.02 V) เมื่อขดลวด L_xR_xเข้าที่คาปาซิเตอร์ C จะถูกปรับค่าจนกระทั่งเครื่องวัด Voltage (ซึ่งเป็นชนิดความถี่สูง Impedance สูง) แสดงค่าสูงสุดขณะนี้วงจรอยู่ที่เรโซแนนซ์

ดังนั้นขนาดของ V_cจะสามารถถูกปรับเทียบให้อ่านค่า Q ได้โดยตรงภายหลังจากหาค่า หรือรู้ค่า Capacitor จะหาค่า L_xคำนวณได้โดย

เมื่อ f₀ = ความถี่ของออสซิเลเตอร์ภายในเครื่องมือวัด

หลังจากรู้ค่า Q และ L เราสามารถคำนวณหาความต้านทานความถี่สูง R_xจาก

ค่าของ Q , L , C และ R ที่ได้จากเครื่องวัด จะเรียกว่าค่าแสดงหรือปรากฏ (Indicated or Apparent)

การวัดค่า Q Factor จะมีค่าแตกต่างกันในแต่ละแบบของการต่อวงจร

1.การต่อวงจรแบบ R L และ C ต่อกันแบบอนุกรม

จะเห็นว่า ที่ความถี่เรโซแนนซ์ f_r ขนาดของอิมพีแดนซ์จะน้อยที่สุดเมื่อ

ถ้าเราไม่คิดความต้านทานของวงจรวัด

2. การต่อวงจรแบบ R L และ C ต่อกันแบบขนาน

จะเห็นว่า ที่ความถี่เรโซแนนซ์ f_r ขนาดของอิมพีแดนซ์จะมากที่สุดเมื่อ

ปริมาณที่ใช้บอกความคมของเรโซแนนซ์ (ยอดของเรโซแนนซ์กว้างหรือแคบ) ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้คุณภาพของวงจรว่าสามารถทำงานได้ดีที่ช่วงความถี่แคบเพียงไร คือ แฟกเตอร์คุณภาพ (Quality Factor) หรือค่า Q ของวงจร ซึ่งในกรณีต่อแบบอนุกรมและขนานจะมีค่า Q = X_L/ R = w_LL / R

เนื่องจาก ภายในของเครื่องวัดมีความต้านทานภายในอยู่ และถูกรวมมาในผลของค่า Q ที่ปรากฏ ทำให้ค่า Q ที่ได้จากเครื่องวัดจะมีค่าต่ำกว่าค่า Q ที่แท้จริง ซึ่งมันคือค่า Error หรือ เปอร์เซ็นต์ความผิดพลาด ค่านี้มักเกิดขึ้นเสมอโดยค่าความผิดพลาดจะอยู่ประมาณ ± 5% คำนวณค่า Error ได้จาก