Как определить индуктивность дросселя. Измерение индуктивности силовых дросселей: методы и особенности

alexxlabРазное
Как правильно измерить индуктивность силового дросселя. Почему важно учитывать ток насыщения. Какие методы и приборы используются для измерения индуктивности при больших токах. Как характеристики сердечника влияют на индуктивность дросселя.

Содержание

Особенности измерения индуктивности силовых дросселей

Измерение индуктивности силовых дросселей имеет ряд важных особенностей, которые необходимо учитывать:

  • Индуктивность зависит от протекающего тока из-за эффекта насыщения сердечника
  • При больших токах индуктивность может значительно снижаться
  • Обычные RLC-метры, работающие на малых сигналах, не позволяют корректно измерить индуктивность силовых дросселей
  • Необходимо измерять индуктивность при реальных рабочих токах дросселя
  • Важно учитывать влияние температуры на характеристики сердечника

Поэтому для корректного измерения индуктивности силовых дросселей требуются специальные методы и приборы.

Почему важно учитывать ток насыщения при измерении?

Ток насыщения — это ключевой параметр силового дросселя, который определяет максимальный рабочий ток. При достижении тока насыщения индуктивность резко падает, что приводит к росту пульсаций тока. Основные причины важности учета тока насыщения:


  • Индуктивность при малых токах может в несколько раз превышать реальную рабочую индуктивность
  • Без учета насыщения невозможно корректно рассчитать пульсации тока
  • Превышение тока насыщения может привести к перегреву и выходу дросселя из строя
  • Зная кривую насыщения, можно оптимизировать конструкцию дросселя

Поэтому измерение индуктивности необходимо проводить во всем диапазоне рабочих токов дросселя.

Методы измерения индуктивности силовых дросселей

Для измерения индуктивности силовых дросселей используются следующие методы:

  • Метод вольтметра-амперметра на постоянном токе
  • Импульсный метод
  • Резонансный метод
  • Метод измерения реактивной мощности
  • Мостовые методы на переменном токе

Наиболее распространены импульсный метод и метод вольтметра-амперметра, так как они позволяют измерять индуктивность при больших токах. Рассмотрим их подробнее.

Измерение индуктивности методом вольтметра-амперметра

Суть метода заключается в следующем:

  1. Через дроссель пропускается постоянный ток заданной величины
  2. На дроссель подается короткий импульс напряжения
  3. Измеряется скорость нарастания тока dI/dt
  4. Индуктивность рассчитывается по формуле L = U / (dI/dt)

Преимущества метода:


  • Позволяет измерять индуктивность при больших токах
  • Не требует сложного оборудования
  • Высокая точность измерений

Недостатки:

  • Сложность автоматизации измерений
  • Необходимость ручных расчетов

Импульсный метод измерения индуктивности

При импульсном методе используется следующий алгоритм:

  1. На дроссель подается импульс напряжения
  2. Измеряется форма тока через дроссель
  3. По форме тока определяется индуктивность

Преимущества метода:

  • Позволяет быстро получить кривую насыщения дросселя
  • Легко автоматизируется
  • Не требует ручных расчетов

Недостатки:

  • Требуется специализированное оборудование
  • Меньшая точность по сравнению с методом вольтметра-амперметра

Влияние характеристик сердечника на индуктивность дросселя

Характеристики магнитного сердечника оказывают определяющее влияние на индуктивность дросселя:

  • Магнитная проницаемость μ определяет базовую индуктивность
  • Индукция насыщения Bsat задает максимальный рабочий ток
  • Потери в сердечнике влияют на добротность дросселя
  • Температурная стабильность определяет изменение индуктивности при нагреве

При выборе материала сердечника нужно учитывать все эти параметры в совокупности. Наиболее распространенные материалы для силовых дросселей:


  • Феррит — низкие потери на высоких частотах
  • Альсифер — высокая индукция насыщения
  • Аморфные сплавы — сочетание высокой индукции и низких потерь
  • Пермаллой — высокая начальная проницаемость

Правильный выбор материала сердечника позволяет оптимизировать характеристики дросселя под конкретную задачу.

Приборы для измерения индуктивности силовых дросселей

Для измерения индуктивности силовых дросселей используются специализированные приборы:

  • Измерители индуктивности на большом токе (например, DP10 от ed-k)
  • Анализаторы импеданса с опцией измерения на постоянном токе
  • Специализированные тестеры силовых дросселей
  • Осциллографы с функцией анализа цепей

При выборе прибора важно учитывать следующие характеристики:

  • Максимальный измерительный ток
  • Диапазон измеряемых индуктивностей
  • Погрешность измерений
  • Возможность автоматизации измерений
  • Наличие функции построения кривых намагничивания

Использование специализированных приборов позволяет значительно упростить и ускорить процесс измерения характеристик силовых дросселей.


Заключение

Измерение индуктивности силовых дросселей имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать для получения корректных результатов. Ключевые моменты:

  • Необходимо измерять индуктивность при реальных рабочих токах
  • Важно учитывать эффект насыщения сердечника
  • Требуются специальные методы и приборы для измерений
  • Характеристики сердечника оказывают определяющее влияние на индуктивность

Правильное измерение индуктивности позволяет оптимизировать конструкцию дросселя и обеспечить его надежную работу в составе устройства.


Полезная информация и новости | Alfa Instruments✔

Дроссели и трансформаторы являются сердцем импульсных источников питания. Обеспечение их нормальной работы требует проведения тщательных внутрисхемных измерений в рабочих условиях. В данной статье описано всё, что нужно для этого знать.

В импульсных источниках питания (ИИП) очень важную роль играют индуктивные компоненты, а именно дроссели и трансформаторы. В процессе проектирования ИИП приходится опираться на технические характеристики компонентов и их модели для симуляторов. Однако в реальных условиях паразитные сигналы, температура и другие внешние воздействующие факторы могут влиять на характеристики индуктивных компонентов, вследствие чего источник питания будет работать не так, как можно было предположить на основе технических характеристик и моделирования. В результате внутрисхемные измерения дросселей и трансформаторов в рабочих условиях играют определяющую роль в обеспечении надёжной работы ИИП.

Имея под рукой нужные приборы, такие измерения можно выполнить сравнительно быстро и легко. Но сначала давайте освежим в памяти основы работы дросселей и трансформаторов, особенно в отношении внутрисхемных измерений, а также познакомимся с применением осциллографов и пробников во время работы источника питания и узнаем, как измерять индуктивность и строить кривые B-H для оценки технических характеристик.

Принцип действия дросселей

Согласно законам Ленца и Фарадея, ток, протекающий через дроссель, и напряжение на ней связаны уравнением:

Отсюда следует, что индуктивность можно представить, как некий коэффициент преобразования скорости изменения тока в напряжение противоположного знака. Интегрируя, перегруппировывая и пренебрегая знаком, можно получить следующее уравнение для индуктивности:

Из этого уравнения следует, что индуктивность можно определить, как функцию, зависящую от изменения тока и напряжения во времени.

Такое измерение во временной области лучше выполнять осциллографом, оснащенным пробником напряжения и пробником тока, а также способным выполнять интегрирование и строить графики зависимостей в координатах X и Y.

В отличие от идеального дросселя, индуктивность реального дросселя зависит от величины тока, температуры и рабочей частоты. В источнике питания эти параметры могут зависеть от режимов работы и меняться во времени.

Например, индуктивность тороидального дросселя, показанного на рисунке 1, можно приблизительно определить по формуле

где: µ — магнитная проницаемость сердечника, N – число витков обмотки, r – радиус сердечника в сантиметрах (измеренный до центральной пунктирной линии), A – площадь поперечного сечения сердечника в см2 (предполагается малой по сравнению с радиусом тороида).

Поскольку число витков входит в формулу в квадрате, оно даёт максимальный вклад в значение индуктивности. Магнитная проницаемость материала сердечника тоже играет значительную роль. Однако значение индуктивности зависит и от геометрических размеров компонента. Чтобы минимизировать размер дросселей, в них как правило используют материалы, магнитная проницаемость которых значительно превышает магнитную проницаемость воздуха.

Короче говоря, характеристики материала и геометрия сердечника сильно влияют на значение индуктивности в разных рабочих условиях, а также на потери мощности в устройстве.

Рисунок 1. Простейший дроссель – обмотка на замкнутом ферромагнитном сердечнике. Ток величиной I ампер протекает через обмотку из N витков. Индуктивность дросселя определяет связь между током, протекающим в обмотке, и магнитным потоком.

Измерение индуктивности

Для определения необходимых значений индуктивности разработчики источников питания используют обычно методы моделирования. После изготовления дросселя его индуктивность проверяют обычно с помощью измерителя RLC. Однако большинство измерителей RLC подаёт на измеряемый компонент синусоидальный сигнал в узком диапазоне частот, поэтому, хотя такой метод вполне пригоден для грубой оценки индуктивности, он плохо предсказывает характеристики дросселя в реальной схеме.

Индуктивность дросселя зависит от протекающего через него тока и напряжения, формы и частоты сигнала возбуждения, которые в реальных условиях могут меняться со временем. Поэтому важно измерять и наблюдать поведение дросселя непосредственно в динамически изменяющейся среде источника питания.

Такие измерения можно выполнить, регистрируя напряжение на устройстве, как правило, с помощью дифференциального пробника. Для измерения тока, протекающего через индуктивный компонент, обычно используется пробник тока. Для определения индуктивности, встроенная в осциллограф программа анализа мощности интегрирует напряжение по времени и делит результат на величину изменения тока. Кроме того, она устраняет постоянное смещение и использует усреднение для расчёта индуктивности.

Измеряя индуктивность трансформатора, важно отключить нагрузку от вторичной обмотки. Измерение первичной обмотки трансформатора без нагрузки эквивалентно измерению дросселя с одной обмоткой. При измерении индуктивности связанной катушки с несколькими обмотками на одном сердечнике, измеренное значение будет отличаться от реального из-за влияния тока, протекающего в других обмотках.

На рисунке 2 показано измерение, дающее среднее значение индуктивности в Генри. Жёлтая кривая (канал 1) представляет собой напряжение на дросселе, а синяя кривая (канал 2) – ток, протекающий через него. Левый график показывает зависимость тока i от ∫vdt, наклон которой равен индуктивности.

Рисунок 2. Среднее значение индуктивности в Генри

На рисунке 3 показана измеренная зависимость I от ∫V, которая позволяет глубже понять поведение индуктивности. Здесь наблюдается постоянное смещение, накапливающееся за миллисекундные периоды. Жёлтая кривая (канал 1) представляет собой напряжение на дросселе, а синяя кривая (канал 2) – ток, протекающий через него.

Рисунок 3. Измеренная зависимость I от ∫V позволяет глубже понять поведение дросселя.

Измерение кривой B-H

Индуктивные компоненты источника питания проектируются в расчёте на определенное напряжение, ток, топологию и конкретный тип силового преобразователя. Рабочие режимы дросселей и трансформаторов помогают достичь стабильности импульсного источника питания. Однако рабочие характеристики источника могут отличаться во время включения, во время стабильной работы, при изменении нагрузки и условий окружающей среды, что сильно усложняет учёт всех возможных сценариев в процессе проектирования.

Для обеспечения стабильности импульсного источника питания важно определить рабочую область индуктивного компонента. Как правило, нужно не допустить насыщения сердечника и обеспечить работу в линейной области кривой гистерезиса. Тем не менее, расчёт индуктивного компонента и обеспечение его работы в линейной области гистерезиса во всех условиях является очень сложной задачей.

Кривые B-H, аналогичные той, что показана на рисунке 4, помогают разработчикам визуализировать поведение дросселя и его сердечника. В данном примере H представляет собой напряжённость магнитного поля в устройстве. Она измеряется в амперах/метр и пропорциональна току:

Рисунок 4. Производитель сердечника может приводить кривую гистерезиса в технических характеристиках.

Результирующая магнитная индукция B пропорциональна интегралу от напряжения на устройстве. Магнитная индукция измеряется в теслах и характеризует силу магнитного поля. Она определяет силу воздействия магнитного поля на движущийся заряд.

Эта кривая позволяет оценить следующие важные характеристики:

  • Магнитная проницаемость µ. Измеряется в Гн/м. Является характеристикой материала сердечника и равна скорости, с которой напряжённость магнитного поля H (зависящая от тока) порождает магнитную индукцию B (интеграл от напряжения). Магнитная проницаемость равна наклону кривой B-H. Для создания компактных дросселей и трансформаторов разработчики используют материалы с большой магнитной проницаемостью.
  • Магнитная индукция насыщения. Точка, в которой дальнейший рост напряжённости магнитного поля H перестаёт порождать дополнительный рост магнитной индукции B. В большинстве источников питания разработчики должны избегать насыщения.
  • Параметры гистерезиса. Гистерезисом называется “ширина” кривой B-H, и он характеризует потери источника питания. Большинство разработчиков старается применять магнитомягкие материалы с малым значением остаточной намагниченности Br – магнитной индукции, которая остаётся в материале после снятия магнитного поля, и малой коэрцетивной силой c, равной значению H, необходимому для снижения магнитной индукции B до нуля.

Потенциальную стабильность можно определить по следующим признакам:

  • Если измеренная пиковая магнитная индукция приближается к магнитной индукции насыщения, определённой в технических характеристиках, это означает, что компонент приближается к точке насыщения.
  • Если кривые B-H меняются от периода к периоду, это свидетельствует о наличии насыщения. В стабильном источнике питания кривая B-H имеет симметричный обратный ход и сохраняет форму от периода к периоду.

Для внутрисхемного измерения напряжения на дросселе и тока, протекающего через его обмотку, можно использовать осциллограф. Зная число витков обмотки, магнитную длину устройства и площадь поперечного сечения сердечника, можно определить реальные значения B и H по формам напряжения и тока, измеренным с помощью осциллографа.

Для построения кривой B-H нужно измерить напряжение на индуктивном элементе и протекающий через него ток. В случае трансформатора, интерес представляют токи, протекающие через первичную и вторичную обмотки. Высоковольтный дифференциальный пробник подключается к дросселю или к первичной обмотке трансформатора. Токовый пробник измеряет ток, протекающий через дроссель или первичную обмотку трансформатора. Кроме того, при необходимости токовые пробники используются для измерения токов, протекающих через вторичные обмотки.

На рисунке 5 показаны измерения трансформатора с несколькими вторичными обмотками. Кривая Ref 1 (белая) представляет собой напряжение на дросселе, а кривая Ref 2 (синяя) – протекающий ток. В данном случае показана математически рассчитанная форма тока (оранжевая), поскольку осциллограф был настроен на измерение нескольких вторичных обмоток.

Рисунок 5. Измерение характеристик трансформатора с несколькими вторичными обмотками.

Кривые B-H для трансформаторов

Для измерения характеристик трансформатора в рабочих условиях нужно учесть ток, переданный во вторичную обмотку. Измеряя кривую B-H трансформатора полезно учитывать теоретический элемент, называемый “индуктивностью намагничивания”.

Током намагничивания называется ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора при разомкнутой (ненагруженной) вторичной обмотке. Другими словами, ток намагничивания не порождает ток во вторичной обмотке. Как показано на рисунке 6, трансформаторы моделируются с током намагничивания, протекающим через “индуктивность намагничивания”, включенную параллельно первичной обмотке.

Рисунок 6. В схеме трансформатора (слева) и в эквивалентной схеме (справа) ток намагничивания протекает через индуктивность намагничивания LM, включенную параллельно первичной обмотке. LM моделирует магнитные характеристики трансформатора.

Анализ потерь

Потери в индуктивных компонентах дают существенный вклад в потери источника питания. Потери в сердечнике зависят от магнитных свойств материала и включают потери на гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в меди связаны с сопротивлением обмоток, а также зависят от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке трансформатора.

Для оценки потерь в сердечнике используются разные методы. Один из наиболее популярных методов использует эмпирическую формулу Штейнмеца, которая связывает потери в сердечнике с частотой и магнитной индукцией:

где k, a и b – константы, описывающие материал сердечника и обычно приведённые в техническом описании. Кроме того, в техническом описании могут приводиться приблизительные значения потерь на разных частотах и для различных значений магнитной индукции, но, как правило, эти значения даются для синусоидальных сигналов. Однако в реальных системах питания компоненты обычно возбуждаются несинусоидальными сигналами, что порождает погрешность подобных оценок.

Для вычисления полных магнитных потерь путём усреднения произведения кривых напряжения и тока (v(t) ∙ i(t)) можно использовать осциллографическое приложение. При использовании этого метода рассчитываются полные магнитные потери, включающие потери в меди и в сердечнике. Пример такого расчёта показан на рисунке 7, где измерение магнитных потерь даёт полные магнитные потери, включающие потери в меди и сердечнике. Потери в сердечнике могут быть приведены в документации производителя. В этом случае можно найти потери в меди, вычитая потери в сердечнике из полных магнитных потерь.

Рисунок 7. Пример измерения полных магнитных потерь.

Осциллографы могут рассчитывать магнитные потери дросселей с одной обмоткой, с несколькими обмотками и даже трансформаторов. Для измерения трансформатора с одной обмоткой дифференциальный пробник используется для измерения напряжения на первичной обмотке. Токовый пробник измеряет ток, протекающий через трансформатор. Затем программа измерения мощности может автоматически рассчитать магнитные потери.

Дроссели и трансформаторы являются сердцем импульсных источников питания и используются в фильтрах, повышающих/понижающих преобразователях, устройствах развязки, накопителях энергии и генераторах. Обеспечение их нормальной работы требует проведения тщательных внутрисхемных измерений в рабочих условиях. Как обсуждалось выше, современные осциллографы с прикладным ПО анализа мощности предлагают быстрые настройки и повышенный уровень воспроизводимости измерений.

Об авторе

Уилсон Ли (Wilson Lee) работает менеджером по техническому маркетингу в компании Tektronix. Более 25 лет он занимал руководящие должности в области технического маркетинга и технических продаж в таких производящих компаниях, как CTS Electronic Components, а также в компаниях-дистрибьюторах, таких как Richardson RFPD и Premier Farnell. Большей частью Уилсон работал в таких секторах рынка, как ВЧ/радиосвязь, промышленные системы питания и промышленная автоматизация.

Уилсон получил степень бакалавра в Корнеллском университете. В течение своей карьеры ему приходилось жить в Нью-Йорке, Чикаго и в Азии. В настоящее время он живёт в Портленде (штат Орегон).

25.02.2020

|

Категории: Статьи

Ключевые параметры при выборе индуктивности

При выборе индуктивности необходимо учитывать следующие ключевые параметры: способ монтажа (поверхностный монтаж или монтаж в отверстия), величину индуктивности, номинальный ток, активное сопротивление (DCR), частоту собственного резонанса (SRF), добротность (Q) и диапазон рабочих температур. Обычно требуется, чтобы габариты катушки индуктивности были как можно меньше, однако в каждом конкретном приложении размеры катушки определяются величиной индуктивности и номинальным током.

От чего зависит величина индуктивности дросселя?

Если предполагается использовать катушку индуктивности в качестве простого однозвенного высокочастотного фильтра 1-го порядка, то выбор конкретного компонента производится исходя из частотного спектра шума, который необходимо подавить. На собственной резонансной частоте (SRF) последовательный импеданс катушки индуктивности максимален. Таким образом, для ВЧ-фильтрации следует выбирать дроссель, у которого собственная резонансная частота близка к частоте шума.

Для фильтров более высокого порядка индуктивности отдельных элементов должны быть рассчитаны, исходя из требуемых частот срезов фильтров (для фильтров нижних и верхних частот) или ширины полосы пропускания (для полосовых фильтров). Для выполнения таких расчетов чаще всего используются программы моделирования, такие, например, как SPICE, AWR Microwave Office и Agilent Genesys или ADS.

Для калиброванных цепей или цепей с согласованным импедансом, желательно выбирать компоненты с минимальным разбросом номинала. Как показано в Таблице 1, проволочные индуктивности, как правило, отличаются меньшим отклонением от номинального значения по сравнению с многослойными печатными и толстопленочными индуктивностями.

Таблица 1. Сравнение параметров различных индуктивностей

Тип индуктивности

Индуктивность, нГн

Точность

Q при 1,8 ГГц

Рейтинг тока, мА

Выводная (Coilcraft 0402HP-2N7XGL)

2,7

2%

85
(при 1,8 ГГц)

1500

Многослойная (TDK MLK1005S2N7ST)

2,7

11%

31
(при 1,8 ГГц)

500

Выводная (Coilcraft 0402HP-68NXGL)

68

2%

50
(при 900 МГц)

310

Многослойная (TDK MLK1005S68NJT)

68

5%

20
(при 900 МГц)

150

Как влияет величина тока на выбор индуктивности?

Для сохранения приемлемого уровня потерь и ограничения перегрева катушки индуктивности при протекании большого тока необходимо либо увеличивать сечение провода, либо использовать больше жил того же размера. Применение провода увеличенного сечения позволяет уменьшить активное сопротивление (DCR) и повысить добротность Q, однако расплатой за это становится увеличение габаритов катушки, кроме того, собственная резонансная частота может оказаться ниже. Из таблицы 1 видно, что дроссели с проволочной обмоткой превосходят многослойные печатные индуктивности (того же размера и индуктивности) по уровню допустимой токовой нагрузки.

Увеличение допустимого тока и снижение активного сопротивления обмотки, а также сокращение числа витков могут быть достигнуты за счет использования дросселя с ферритовым сердечником. Однако индуктивности с ферритовым сердечником имеют свои недостатки, такие как значительная температурная зависимость индуктивности, значительная погрешность номинала, пониженная добротность и низкий ток насыщения. Ферритовые дроссели открытого типа, такие как серия LS от Coilcraft, не будут насыщаться даже при протекании номинального тока.

Таким образом, величина тока определяет сопротивление обмотки?

Номинальный ток и активное сопротивление обмотки тесно связаны. Чем меньше сопротивление обмотки, тем меньше будет перегрев при протекании тока, а значит, тем выше может быть сам ток. Кроме того, в большинстве случаев, если все остальные параметры остаются без изменения, для уменьшения сопротивления необходимо использовать дроссель большего типоразмера.

Какой должна быть частота собственного резонанса?

Частота собственного резонанса определяется следующим образом:

На частоте собственного резонанса дроссель обеспечивает максимальное ослабление шума. На более низких частотах импеданс уменьшается. В точке собственного резонанса полное сопротивление достигает максимального значения. На более высоких частотах сопротивление также уменьшается.

В фильтрах более высокого порядка и в приложениях с согласованным импедансом желательно иметь более плоскую частотную зависимость индуктивности вблизи требуемой частоты. Это предполагает выбор дросселя с частотой, значительно превышающей рабочую частоту. Эмпирическое правило заключается в выборе индуктивности, у которой собственная частота резонанса в 10 раз выше рабочей частоты. Обычно, величина индуктивности определяет частоту резонанса и наоборот. Чем выше индуктивность, тем ниже частота резонанса, что является следствием увеличения емкости обмотки.

Частотная зависимость индуктивности и импеданса

Индуктивность и импеданс резко возрастают вблизи собственной резонансной частоты (SRF), как показано на рисунке 1. Если предполагается использовать катушку индуктивности в роли простого ВЧ-фильтра, в таких случаях следует выбирать дроссель, у которого частота резонанса максимально близка к частоте подавляемого шума. Для других приложений следует выбирать дроссель, у которого частота резонанса максимально, как минимум в 10 раз, выше рабочей частоты.

Рис. 1. Частотная зависимость индуктивности и импеданса проволочного дросселя 100 нГн

В каких случаях важна добротность?

Высокое значение добротности (Q) обеспечивает узкую полосу пропускания, что важно, если катушка индуктивности используется в составе LC-генератора или в другом узкополосном приложении (рисунок 2). Высокое значение Q также приводит к низким потерям и способствует уменьшению энергопотребления.

Рис. 2. Высокая добротность (Q) обеспечивает узкую полосу пропускания и низкие потери

Добротность индуктивности рассчитывается следующим образом:

Все зависящие от частоты параметры, активные и реактивные потери учитываются в Q, в том числе индуктивность, емкость, скин-эффект проводника и потери в материале магнитного сердечника. Как указано в таблице 1, индуктивности с проволочной обмоткой имеют гораздо более высокие значения Q, чем многослойные печатные индуктивности того же размера и номинала.

Как выбрать рейтинг температуры?

При увеличении тока и сопротивления потери мощности в индуктивности увеличиваются. В свою очередь потери приводят к разогреву и повышению температуры компонента. Номинальный ток индуктивности обычно приводится для заданной температуры окружающей среды, но из-за собственных потерь температура компонента оказывается выше температуры среды. Например, если компонент с верхней границей диапазона рабочих температур +125° C в процессе протекания номинального значения полного тока (Irms или Idc) дополнительно нагревается на 15 °C, то его собственная максимальная температура составит приблизительно 140 °C. При выборе катушки индуктивности нужно убедиться, что температура окружающей среды и потребление тока в приложении не превышают номинальных значений.

Как быстро найти индуктивности, которые обладают всеми необходимыми характеристиками?

Сравнение спецификаций дросселей от различных производителей может занять много времени. Инструмент поиска индуктивностей Coilcraft позволяет выбирать катушки по шести различным параметрам. Фильтр автоматически оставляет только те модели, которые удовлетворяют заданным требованиям.

Автор: Вячеслав Гавриков, г. Смоленск

Производители: Tdk

Разделы: Дроссели

Опубликовано: 04. 06.2019

Измерение индуктивности силовых дросселей — Советы по силовой электронике

Индуктивность силовых дросселей изменяется в зависимости от уровня тока. Обычные мосты для измерения слабого сигнала здесь не при чем!

Hubert Kreis, ed-k • Alan Lowne, Saelig Co. Inc.

Тестер силовых дросселей ed-k DP10.

За исключением катушек с воздушным сердечником, все силовые индуктивности демонстрируют поведение насыщения; их индуктивность падает с ростом тока. Материалы сердцевины могут потерять проницаемость и в крайних случаях вести себя как воздушное ядро. На этот предел поведения насыщения может влиять выбор материала сердечника, геометрия сердечника, количество витков и воздушный зазор.

Часто бывают отклонения между расчетной индуктивностью при определенном токе (например, номинальном токе) и реальной индуктивностью, возможно, из-за того, что геометрия дросселя вызывает неоднородное распределение поля, или информация о сердечниках в паспорте неполная. Часто заметны производственные отклонения допусков сердечника, а также влияние температуры. Таким образом, характеристика насыщения силовых дросселей должна измеряться во время разработки продукта, а также во время контроля качества.

Вверху, типичное применение фильтрующего дросселя в импульсном источнике питания. Ниже приведены типичные кривые напряжения и тока для фильтрующего дросселя. Силовые дроссели

используются во многих областях: сглаживающие дроссели для импульсных источников питания, фильтрующие дроссели для IGBT-преобразователей (синусоидальный фильтр), импеданс для преобразователей с линейной коммутацией, сглаживающий реактивный резистор для блоков цепей постоянного тока и т.д. Обычно используется в качестве сглаживающего дросселя во вторичной обмотке импульсного источника питания. Здесь выходное напряжение переключателя обычно имеет прямоугольную форму. Выходной ток в основном постоянный с наложенными пульсациями, напоминающими треугольную волну, имеющую частоту, соответствующую тактовой частоте схемы – от нескольких сотен герц до нескольких мегагерц.

Для проектировщика схемы значение катушки индуктивности в этой схеме обычно не очень полезно. Более значимой является индуктивность при наибольшем постоянном токе. Индуктивность на этом уровне влияет на наложенный ток пульсаций (и, следовательно, на остаточную пульсацию источника питания), а также на максимальный ток через силовой полупроводник переключения. Если эффект дросселя достигает насыщения до достижения желаемого максимального выходного тока, случаются плохие вещи. Силовые полупроводники могут выйти из строя или перегреться, выходной конденсатор может перегрузиться, а пульсации на выходе резко возрастут.

Проблема в основном та же, что и в других топологиях схем и приложениях, использующих силовые дроссели, например, синусоидальные фильтры для IGBT-преобразователей. Стандартные мосты для измерения слабого сигнала не дают информации о поведении катушки индуктивности при больших токах, поскольку они измеряют только начальную индуктивность при очень малых измерительных токах. Измерение режима насыщения требует подачи через дроссель соответствующего большого тока. Также важно понимать, что индуктивность каждого дросселя зависит от частоты.

Измерения с фиксированной частотой

Существует два основных метода измерения индуктивности: метод фиксированной частоты, используемый измерителями LCR, и метод измерения импульсов di/dt. В методах с фиксированной частотой к ИУ подается постоянный ток. Синусоидальное слабосигнальное измерительное напряжение (например, 10 кГц) накладывается на ток, а индуктивность рассчитывается по амплитуде и фазе измеряемого тока.

Вверху: Установка для измерения методом фиксированной частоты: Испытываемый объект находится в измерительном мосту и получает смещение от источника постоянного тока. C∞ изолирует компонент от измерительного моста. Далее: Настройка измерения с помощью процедуры измерения импульсов dt/di. Выходной ток гальванически не связан. Ниже расширенная эквивалентная схема измерительного устройства для процедуры dt/di.

Преимущество этого метода в том, что частота измерения устанавливается точно и воспроизводимо. Однако проблема здесь в том, что условия измерения имеют мало общего с реальными условиями применения. Силовые дроссели обычно не видят синусоиду низкого напряжения, а скорее прямоугольное напряжение, содержащее несколько гармоник. В реальных условиях требуется мощный источник постоянного тока, который может быть дорогим для больших токов (например, более 20 А). Более того, определение характеристик дросселя во всем диапазоне постоянного тока требует множества отдельных измерений, проводимых при различных уровнях тока.

В отличие от методов с фиксированной частотой измерения импульсным методом di/dt подвергают тестируемый объект прямоугольному импульсу напряжения, имитирующему реальный импульс. К ИУ подается ток, в то время как для оценки индуктивности наблюдается как рост тока di/dt, так и поведение насыщения. Измерительный импульс прекращается, когда достигается заданный максимальный ток. Оценка скорости нарастания тока di/dt создает полную кривую индуктивности для тестируемого объекта с помощью одного импульса.

В идеале импульсное напряжение соответствует тому, что устройство видит в реальном мире, чтобы избежать подверженных ошибкам результатов измерения слабого сигнала с фиксированной частотой. Дополнительным преимуществом измерения формы импульса является то, что источнику тока не нужно постоянно подавать испытательный ток; батарея конденсаторов может обеспечить испытательную энергию. Такой подход значительно экономит средства и уменьшает размер испытательного прибора.

Следует отметить, что напряжение U ИУ измерительного импульса на ИУ никогда не бывает постоянным из-за паразитных падений напряжения на линиях питания. Активное сопротивление, R L , самого ИУ также необходимо учитывать, хотя паразитной емкостью ИУ C L почти всегда можно пренебречь. Тогда следующее уравнение дает индуктивность индуктора L L :

L L (i) = [U DUT (i) – R L × i] × dt/di           использует отдельные измерительные импульсы. Таким образом, для оценки формы кривой индуктивности необходимо регистрировать напряжение на ИУ и ток через него. Эта запись осуществляется с помощью быстрого и точного аналого-цифрового преобразователя с высоким разрешением.

На графиках измерения тока и напряжения с помощью этого метода часто можно с первого взгляда увидеть, где дроссель переходит в состояние жесткого насыщения, исходя из скорости нарастания измеряемого тока. Для получения более точного результата или создания кривой индуктивности необходима численная оценка. Оценка сигнала (расчет кривой индуктивности) основана на первом уравнении.

Приращения для Δi или Δt должны выбираться тщательно. Если размер шага слишком мал, даже небольшие ошибки оцифровки приведут к флуктуациям кривых индуктивности. Слишком большие размеры шага не будут точно воспроизводить явления внезапного насыщения. Поэтому необходим динамический контроль размера шага, при котором размер шага автоматически адаптируется в зависимости от результатов di/dt.

Практические измерения
Вверху, измеренные кривые тока и напряжения на дросселе с аморфным ленточным сердечником и воздушным зазором (L номинал = 190 мкГн, I номинал = 135 А) для активной коррекции коэффициента мощности. Дроссель входит в насыщение при токе около 200-250 А. Здесь напряжение измерительного импульса составляет около 100 В. Когда ток измерения достигает 500 А, импульс прекращается. Судя по скорости нарастания измерительного тока, на первый взгляд видно, что этот дроссель переходит в состояние жесткого насыщения при токе от 200 до 250 А. Ниже приведена кривая индуктивности в зависимости от насыщения для того же дросселя с ККМ. Этот дроссель при пиковом номинальном токе 135 А × 1,41 = 190 А и имеет индуктивность 156 мкГн. Однако реальный пиковый ток в приложении примерно на 30 А выше из-за наложенных пульсаций тока. Тогда индуктивность при 220 А составляет всего 127 мкГн, что на 33% ниже указанного номинального значения 190 мкГн.

Неотъемлемые преимущества процедуры измерения импульсов сделали ее стандартом для оценки истинной индуктивности силовых дросселей во всем мире. Тестер силовых дросселей DPG10 от немецкой компании ed-k воплощает в себе метод измерения импульсов для токов от 0,1 до 4000 А, позволяя измерять характеристики насыщения даже для больших силовых индуктивностей. Напряжение измерительного импульса может быть установлено в диапазоне от 10 до 400 В, поэтому любая индуктивность может видеть напряжение, присутствующее в реальном приложении (например, индуктор фильтра для синусоидального инвертора на выходе около 400 В или сглаживающий дроссель для выхода 5 В). преобразователя переменного/постоянного тока около 20 В). Длительность измерительного импульса может быть предварительно установлена ​​от 3 мкс до 70 мс. Максимально возможная энергия импульса ограничена внутренней батареей конденсаторов, обеспечивающей измерительный ток. При максимальном измерительном напряжении она составляет до 8 кДж. Этого достаточно даже для дросселей большой мощности.

Тестер силовых дросселей DPG10 с быстродействующей конструкцией переключателя IGBT работает практически со всеми типами индуктивных компонентов, от небольших дросселей SMD до силовых дросселей в диапазоне МВА весом в несколько тонн. Подключенный ПК позволяет DPG10 выполнять автоматические измерения индуктивности, отображая результаты, включающие омическое сопротивление. Результаты доступны быстро, а процедуры испытаний не нагревают испытуемый образец.

Протокол измерений определяет кривую индуктивности как функцию тока как в виде диаграммы, так и в виде таблицы. Нет ничего необычного в том, что номинальное значение индуктивности значительно ниже номинального значения индуктивности при реальном пиковом токе после того, как учтены наложенные пульсации тока. возмущения и потери.

измерение индуктивности силового дросселя путаница

Перейти к последнему

#1