Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Induktivität durch Parallelschwingkreis messen


von A. R. (redegle)


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Hallo,

da ich mir im Moment kein LCR-Meter leisten möchte dachte ich mir, ich 
könnte die Induktivität einer Spule auch andersder ermitteln.

Meine Idee ist es, mit einem TS555 ein Rechtecksignal (50-50) zu 
erzeugen.
Dieses wird über einen Widerstand an einen Kondensator bekannter Größe 
geleitet. Parallel zu diesem befindet sich eine Spule.
Es entsteht ein sinusförmiger Spannung durch den Parallelschwingkreis, 
welche ich verstärke.
Anschließend müsste ich mit der am Oszi abgelesene Frequenz 
(Periodendauer) die Spule berechnen können.

Ich würde euch nun gerne Fragen, ob dieses Vorhaben realistisch ist und 
ob meine Schaltung (siehe Schaltplan) funktioniert.
Stützkondensatoren sind nicht verzeichnet.

Was könnte man noch zur besseren Hife ergänzen.

Der TS555 ist eine CMOS veriante des NE555.
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/4077.pdf

Bei dem LTC6241 weiß ich noch nicht was ich dort nehmen sollte. Es war 
das einzige passende Bauteil in der lib, welches ich gefunden habe.
http://cds.linear.com/docs/Datasheet/624012fd.pdf

von Kai Klaas (Gast)


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Dazu müßtest du aber die Frequenz variabel machen. Mit dem Oszi 
bestimmst du dann diejenige Frequenz, bei der die Ausgansgsspannung 
maximal wird. Dazu brauchst du eigentlich keine OPamp-Schaltung, sondern 
kannst das Oszi direkt an den Parallelkreis hängen.

Du müßstet mal simulieren, was für Kapazitäten du brauchst, um mit den 
geplanten Induktivitäten eine brauchbare Parallelresonanz zu erhalten. 
Das geht nämlich nicht mit allen Kapazitäten. Außerdem solltest du R4 
veränderbar machen, um das Resosnanzverhalten zu optimieren, da auch R4 
die Resonanz soweit bedämpfen kann, daß sie verschwindet.

Denke daran, daß auch der Serienwiderstand der Induktivität die Güte und 
damit die Resonanzfrequenz beeinflußt. Das solltest du ebenfalls in die 
Simulation miteinbeziehen. Ich kenne deine Induktivitäten ja nicht...

Kai Klaas

von Helmut S. (helmuts)


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Schau mal hier.
Die Standardschaltung mit Komparator als aktives Element des Oszillators 
wird in vielen preiswerten Geräten verwendet. Das funktioniert sehr gut.
http://sprut.de/electronic/pic/projekte/lcmeter/lcmeter_sch.gif

Eine einfachere Lösung. Wahrscheinlich nicht ganz so genau.
Beitrag "Induktivität messen"

von A. R. (redegle)


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>Dazu müßtest du aber die Frequenz variabel machen. Mit dem Oszi
>bestimmst du dann diejenige Frequenz, bei der die Ausgansgsspannung
>maximal wird. Dazu brauchst du eigentlich keine OPamp-Schaltung, sondern
>kannst das Oszi direkt an den Parallelkreis hängen.

Ich dachte mir das so.
Mein NE555 liefert eine Rechteckspannung im Verhältniss 50zu50.
Bei jedem Spannungssprung von 0V auf 12V oder von 12V auf 0V beginnt der 
Parallelschwinggkreis zu schwingen. Dieses schwingen dauert jedoch 
kürzer als eine halbe Periode. Also die Spannung im Schwinggkreis geht 
auf fast 0V vor jedem Spannungssprung, denn die Spule ist 
Gleichstromseitig ein Kurzschluss. Das sähe dann aus wie auf dem Bild im 
Anhang.

Der Opamp dient nur dem Verstärken der Spannung. Im Bild, also bei 
200ohm, 1µF und 500nH währen es 40mV peak. Das geht bei einem DSO schon 
fast im Rauschen unter, wenn man einen 1:10 Tastkopf benutzt.
Laut meiner Excelberechnung käme dann ein Schwingen mit 225.079,08Hz zu 
stande.


>Du müßstet mal simulieren, was für Kapazitäten du brauchst, um mit den
>geplanten Induktivitäten eine brauchbare Parallelresonanz zu erhalten.
>Das geht nämlich nicht mit allen Kapazitäten. Außerdem solltest du R4
>veränderbar machen, um das Resosnanzverhalten zu optimieren, da auch R4
>die Resonanz soweit bedämpfen kann, daß sie verschwindet.

Das verschwinden ist mit eingeplant. Ich brauche zum Messen keine 
anhaltende Osszilation. Die kurze Oszilation reicht um die Periodendauer 
zu messen.
Den Widerstand R4 und den Kondensator C3 würde ich varible gestalten. 
Müsste aber dabei stehen.
R4 = 200,1k, 10k und 100k
C3 = 10n, 100n, 1µ und 10µ

Das müsste für die meisten Induktivitäten reichen. Natürlich ist bei 
unter 100nH Schluss. Dann spielen schon die parasitären Kapazitäten des 
Aufbaus und die parasitären induktivitäten des Kondensator eine Rolle. 
Erhoffe mir jedoch eine Genauigkeit von ca. 5%.

von A. R. (redegle)


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Noch mal den Spannungsverlauf etwas genauer.

von Helmut S. (helmuts)


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Warum nimmst du nicht die tausendfach erprobte Schaltung mit dem 
Komparator als Oszillator? Es gibt gute Gründe warum praktisch niemand 
die von dir gewählte Schaltung nimmt. Aber ich will dich nicht bekehren. 
Man lernt aus Fehlern bzw. Versuch macht klug.

von Kai Klaas (Gast)


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>Bei jedem Spannungssprung von 0V auf 12V oder von 12V auf 0V beginnt der
>Parallelschwinggkreis zu schwingen.

Ach sooooo....

>Laut meiner Excelberechnung käme dann ein Schwingen mit 225.079,08Hz zu
>stande.

Das ist die Thomson-Formel, nicht wahr? Aber stimmt die noch, wenn die 
Schwingung so stark gedämpft ist?

Simuliere das Ganze doch mal mit TINA von Texas Instruments.

Kai Klaas

von A. R. (redegle)


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>Das ist die Thomson-Formel, nicht wahr? Aber stimmt die noch, wenn die
>Schwingung so stark gedämpft ist?

Ja, diese Formel habe ich benutzt. Jedoch hat die Dämpfung laut meiner 
Simulation scheinbar keine Auswirkungen auf die Frequenz. Aber genau 
wegen solchen Sachen habe ich hier im Forum gepostet.

>Warum nimmst du nicht die tausendfach erprobte Schaltung mit dem
>Komparator als Oszillator? Es gibt gute Gründe warum praktisch niemand
>die von dir gewählte Schaltung nimmt. Aber ich will dich nicht bekehren.
>Man lernt aus Fehlern bzw. Versuch macht klug.

Weil ich keine Methode mit einem Komparator kenne.
Aber ich lasse mich auch belehren, wenn es einfachere Methoden gibt.

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Was ist eigentlich mit der Methode wo man die resultierende 
Phasenverschiebung und die Amplitude von Strom und Spannung misst bei 
verschiedenen Frequenzen um daraus die Kapazität  Induktivität  
Ohmschen Widerstand zu berechnen?

Da war doch sowas.

von A. R. (redegle)


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Dafür bräuchte ich eine variable Sinusspannung. Es ist mir jedoch zu 
viel Aufwand eine solche zu erzeugen.

von Helmut S. (helmuts)


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>>Warum nimmst du nicht die tausendfach erprobte Schaltung mit dem
>>Komparator als Oszillator? Es gibt gute Gründe warum praktisch niemand
>>die von dir gewählte Schaltung nimmt. Aber ich will dich nicht bekehren.
>>Man lernt aus Fehlern bzw. Versuch macht klug.
>
> Weil ich keine Methode mit einem Komparator kenne.
> Aber ich lasse mich auch belehren, wenn es einfachere Methoden gibt.

Hast du meinen Link ignoriert?

http://sprut.de/electronic/pic/projekte/lcmeter/lcmeter_sch.gif

http://electronics-diy.com/img/lc_meter_pic16f84a.jpg

http://www.aade.com/LCinst/lcm2b.htm

von A. R. (redegle)


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Es tut mir leid aber den ersten Link habe ich nur überflogen.
Jedoch habe ich keine Erfahrungen mit Mikrocontrollern. Deswegen 
erschien mir der Schaltplan etwas komplex.

Es wird mir auch nicht möglich sein, einen Mikrocontrolller so zu 
programmieren, dass er ein Display ansteuert.

Sonst hätte ich von Anfang an einen anderen Weg eingeschlagen.

von Helmut S. (helmuts)


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Du kannst ja die Frequenz messen mit der der Komparator(LM311) schwingt.
Daraus kannst du dann die Induktivität berechnen. Was anderes macht der 
PIC auch nicht.

von A. R. (redegle)


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Könntest du mir vielleicht erklären, was die Widerstandsanordnung um den 
LM311N genau macht. Ich sehe dort nur 5 Widerstände und 2 Kondensatoren.
Der Widerstand R3 und der Kondensator C7 bilden einen Tiefpass. Bei dem 
Rest bin ich mir jedoch unschlüssig.

Vielleicht stell ich mich etwas dumm an. Aber ich habe bis jetzt noch 
nicht so komplexe Schaltungen berechnet.

von Helmut S. (helmuts)


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A. R. schrieb:
> Könntest du mir vielleicht erklären, was die Widerstandsanordnung um den
> LM311N genau macht. Ich sehe dort nur 5 Widerstände und 2 Kondensatoren.
> Der Widerstand R3 und der Kondensator C7 bilden einen Tiefpass. Bei dem
> Rest bin ich mir jedoch unschlüssig.
>
> Vielleicht stell ich mich etwas dumm an. Aber ich habe bis jetzt noch
> nicht so komplexe Schaltungen berechnet.

R1, R2 Arbeitspunkt auf halbe Betriebsspannung
R4 Mitkopplung
R5 Pullup Widerstand
R3, C7 Ubatt/2 als Mittelwert
C3 AC-Ankopplung an den Schwingkreis
C8, C9 Schwingkreiskondensator, bei großem L größere Cs parallel 
schalten.
Parallel dazu die externe Spule
Am Ausgang vom LM311 die Frequenz messen.

von A. R. (redegle)


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OK Danke.

Das werde ich mal simulieren und schauen wie die Schaltung genau 
funktioniert.

Sehe ich das richtig, dass der LM331N die Schwingung aufrecht hält?

Wenn ja, dann würde das die Schaltung vereinfachen.

von Helmut S. (helmuts)


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A. R. schrieb:
> OK Danke.
>
> Das werde ich mal simulieren und schauen wie die Schaltung genau
> funktioniert.
>
> Sehe ich das richtig, dass der LM331N die Schwingung aufrecht hält?

Ja.
Du brauchst wirklich nur einen C und die zu messende Spule am Eingang.

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Eine sinusförmige Spannung zu erzeugen sollte mit R2R Ladder und 
Operationsverstärker nicht allzu schwer werden, oder?

Ansonsten, nen xmega hat ja zum Beispiel zwei DACs eingebaut.

von A. R. (redegle)


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@ Helmut S.

Das sieht ja echt super aus. Würde auch das Messen erheblich erleichter. 
Dann muss ich nur auf die Frequenzanzeige im Oszi gucken und ich spare 
mir das Rechnen über die Periodendauer.

Weißt du vielleicht ob es ein öffentliches Programm für so ein Teil 
gibt?

Aber auch ohne Display würde der Aufbau meinen Schaltplan schon 
vereinfachen.

von Ulrich (Gast)


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Die methode mit dem Rechteck geht auch. Die meisten etwas neueren 
Oszilloskope haben für die Kalibrierung ja schon ein Rechtecksignal. 
Die Minimallösung wäre damit eine Kondensator, ein Widerstand und die zu 
messende Spule.

von A. R. (redegle)


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Ich hätte noch 2 Fragen zu dem Schaltplan.

1. Angeblich kann das Teil bis zu nH messen. Jedoch ergibt sich bei 
500nH schon eine Oszilaionsfrequenz von 5Mhz, wenn ich die maximal 
eingezeichneten 2nF verwende. Wie soll das der Lm311N schaffen können? 
Der hat doch laut Datenblatt eine response time von 200ns.

2. Wo bekommt man genaue Kondensatoren her, die etwas größere 
Kapazitäten haben.

Bei 1nF 10nF könnte ich Glimmer mit +/-1% nehmen.
Darüber würde ich Folienkondensatoren nehmen. Aber diese haben schon 
+/-5% oder sogar 20%.

von Ulrich (Gast)


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Für so kleine Induktivitäten wird man schon einen größeren KOndensator 
nehmen müssen.

Gelegentlich kreigt man auch Folienkondensatoren mit geringer Tollerand 
(1% oder 2%) . Viel besser wird man auch kaum brauchen, denn die Messung 
über die Frequenz ist nicht besonders genau. Auch 5% Genauigkeit können 
schon reichen.

Um wirklich genaue Werte geht es ja bei Induktivitäten nur selten. Oft 
geht es ja eher darum, die Größenordnung zu bestimmen, da machen dann 
10% Abweichung nicht wirklich was aus.
Wenn es ganuer werden soll, sollte man anders messen: mit konstanter 
Frequenz und dann mit Phasenrichtiger Spannungsmessung bzw. bzw. als 
Brücke mit Nullabgleich.

von A. R. (redegle)


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@ Ulrich

Hast eigendlich schon recht.
Aber es schadet nicht eine bestimmte Genauigkeit zu habe.
Ich denke für 1nF und 10nF nehme ich 1% Glimmer.
Bei höheren Werten kann ich die Größe ohne Probleme mit meinem 
Multimeter erfassen (Auflösung 1nF). Dann spielt es keine Rolle wenn der 
100nF Kondensator 105nF hat. Denn ich kann mit den 105nF rechnen.

Was mir aktuell große Sorgen bereitet ist, dass ich für kleine 
Induktivitäten große Kondensatoren brauche.
Bei 500nH und 10µF habe ich 72kHz.
Dort kann ich noch einen Kunststoffolienkondensator nehmen.

Was nehme ich aber für 100µF.
500nH und 100µF --> 22,5kHz.

Wobei ich denke, dass genau dort aus physikalischen Gründen Schluss ist 
mit meinem Messverfahren.

von Denker (Gast)


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Hat Hameg die Pläne vom 8018 nicht im Netz?
Die Platine ist 1-seitig, Bauteile sind allbekannt, der Rastschalter 
müsste auch zu kriegen sein.

von Marko B. (glagnar)


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@Denker:

in der Tat: http://www.akh.se/hameg/hm80/hm8018-2-serv.pdf

Ist allerdings relativ komplex das Teil, und zum Kalibrieren braucht man 
Praezisionswiderstaende und einen Praezisionskondensator ...

von Ulrich (Gast)


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Nach dem Plan würde ich heutzutage keim LCR Meter mehr aufbauen.

Meine Wahl wäre ein µC mit DDS-Generator in Software um ein Sinussignal 
von etwa 100 Hz, 1 kHz oder 10 kHz zu erzeugen. Damit eine einfache 
Brücke Treiben. Wenn man will auch mit definierter Stromquelle und 
Spannungsmessung (für Spulen), bzw. Spannungsquelle und Strommessung 
(für Kondensatoren). Nötig ist das aber nichtmal.
Das Signal dann mit dem AD-Wandler messen um Amplitude und Phase zu 
bestimmen. Als Anzeige dann ein LCD Display.

Es gibt irgenwo auch einen Plan, wie man das am PC mit der Soundkarte 
macht.

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Ulrich, die Idee hatte ich oben schon mal angemerkt. Scheint wohl nicht 
so gut anzukommen ;)

PS: Muss das unbedingt ein Sinus sein eigentlich? Gut, der hat natürlich 
die minimal mögliche Anzahl an Obertöne.

von Helmut S. (helmuts)


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Simon K. schrieb:
> Ulrich, die Idee hatte ich oben schon mal angemerkt. Scheint wohl nicht
> so gut anzukommen ;)
>
> PS: Muss das unbedingt ein Sinus sein eigentlich? Gut, der hat natürlich
> die minimal mögliche Anzahl an Obertöne.

Die Schaltung mit dem LM311 und einem PIC+LCD ist halt unschlagbar im 
Preis-Leistungsverhältnis.
Einziger Nachteil: Die Messferquenz ist nicht wirklich wählbar und die 
Güte der Spule kann man auch nicht messen.
Diese Nachteile können allerdings die meisten Anwender verschmerzen.
Interessant sind heutzutage vor allem die kleinen Messbereiche z.B. 
20uH.

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Wenn man einen Mikrocontroller mit D/A benutzt, dürfte der Aufwand mit 
der Variante doch viel kleiner werden, als das riesige Hameg Teil da.

von Marko (Gast)


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@Ulrich: interessant. Aber wozu eine Brücke? Es müsste doch einfach ein 
Widerstand reichen -> Spannungsteiler R-Cx/Lx.

DAC bräuchte man nichtmal, ein AVR mit high speed timer schafft eine PWM 
Frequenz von 250 kHz, damit sollte man einen brauchbaren 10 kHz Sinus 
hinkriegen.

Somit könnte man nur mit einem Controller und einem Widerstand ein 
LC-Meter bauen, und man bräuchte nicht einmal irgendwelche obskuren 
Präzisionskondesatoren zur Kalibrierung.

von A. R. (redegle)


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Nochmal zu diesem Schaltplan.
http://sprut.de/electronic/pic/projekte/lcmeter/lc...

Gibt es auch Operationsverstärker, die für diesen Einsatzzweck besser
geeignet sind als der LM311.
Wenn ich das richtig interpretiere, dann braucht man nur einen
Komparator, der einen sehr kleinen input bias current hat.

Der LM311 hat
-respons time 200ns
-Input Bias current 100nA
-Anstiegsgeschwindigkeit 7V/µs
http://www.national.com/ds/LM/LM311.pdf

Liese sich stattdessen auch ein LMV762 verwenden?
-Propagation delay 200ns
-Input Bias current 0,2pA
-Rise und Fall time unter 2ns
http://www.national.com/ds/LM/LMV761.pdf

von A. R. (redegle)


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Habe die Schaltung nun wie im Anhang aufgebaut.

Möchte euch nun mal meine Erfahrungen posten. Bin noch nicht ganz 
Glücklich.

-----------------
Als erstes habe ich eine große Spule getestet, welche sehr 
Wahrscheinlich aus einer Frequenzweiche oder ähnlichem stammt.

Kapazität     Frequenz           Rechnerische Induktivität
1nF           73350Hz            4708038,731nH
10nF          22000Hz            5233532,213nH
100nF         6700Hz             5642748,031nH
1060nF        2120Hz             5316951,223nH
10030nF       666Hz              5690233,309nH

Das währen 20% Abweichung zwischen 1nF und 100nF.

-----------------
Das 2te war eine kleine Spule aufgewickelt auf einem Ferritring.

Kapazität     Frequenz           Rechnerische Induktivität
1nF           831910Hz            36600,54681nH
10nF          270000Hz            34746,63362nH
100nF         86570Hz             33799,12274nH
1060nF        25000Hz             38234,40892nH
10030nF       Verzerrt            nicht möglich

Das währen ca. 13% Abweichung zwischen 100nF und 1060nF.

-----------------
Das letzte war ein sehr kleine Spule

Kapazität     Frequenz           Rechnerische Induktivität
1nF           Verzerrz           nicht möglich
10nF          705000Hz           nicht möglich
100nF         180460Hz           509,6382659nH
1060nF        Verzerrt           733,7911878nH
10030nF       Verzerrt           nicht möglich

Das währen ca. 44% Abweichung zwischen 100nF und 1060nF.

-----------------


Nachdem ich das berechnet habe gefällt mir das Ergebniss gar nicht mehr.


Gibt es vielleicht irgendwelche Tips zum Aufbau? Im Moment habe ich 2 
verdrillte Verbindungskable zwischen der Platine mit dem Op und dem 
Schwingkreis. Die Entfernung ist ca. 10cm. Würde es helfen, wenn ich 
dort eine Koaxialkabel verwende?

Ein weiteres Problemes währe: Wenn ich eine sehr kleine Induktivität 
verwende schwing der OP mit 20kHz unabhängig davon, wie viele 
Kondensatoren ich dazuschalte.

Als letztes noch ein Bild wie es auf dem Oszi aussieht, wenn ich 
Verzerrt angegeben habe.

Ggf. könnte ich noch ein Foto vom Aufbau machen.

von wolfgang (Gast)


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Hallo,
bin augenblicklich auf den Artikel gestoßen, habe aus meinen früheren 
Bastelzeiten noch eine einfache Scheibe zum bestimmen von 
Induktivitäten, könnte in Deinem Fall hilfreich sein (im Anhang).Scheibe 
besteht aus zwei Teilen. Den inneren Teil mußt Du ausschneiden, damit 
man ihn drehen kann.

Gruß Wolfgang

von wolfgang (Gast)


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Habe die Scheibe zerlegt, damit man sie nutzen kann.

Wolfgang

von A. R. (redegle)


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@ wolfgang
Danke für die Schablone. Werd mal schauen ob sich das realisieren lässt. 
Ist doch ein bisschen lästig immer den Laptop zum berechnen dabei zu 
haben.


Hab den Aufbau jetzt fertig. Klappt auch eigendlich ganz gut. Nur bei 
Werten unter 1µH wirds knifflig.

Wenn Interesse besteht könnte ich mal ein Foto machen von meinem 
"Messgerät"

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