Tom Napier
Исследование с помощью осциллографа кривых перемагничивания ферромагнитных сердечников.
Почему используют сердечники?
При аналогичных ампервитках, ферромагнитный сердечник позволяет получать в тысячи раз больший магнитный поток по сравнению с катушкой без сердечника. Индуктор с сердечником из порошкового железа или феррита имеют меньшие размеры и при этом могут запасать больше энергии. Для получения необходимой индуктивности можно мотать меньше витков, что уменьшает активное сопротивление катушки и увеличивает её добротность Q.
Однако сердечники имеют три основных недостатка.
Первый заключается в том, что материал сердечника обладает проводимостью из-за которой он выполняет роль вторичной обмотки, которая позлащает часть энергии подводимой к индуктору. Чаще сердечники делают из высоко резистивного магнитного материала наподобие феррита или из мелкодисперсного железного порошка в непроводящей матрице.
Второй заключается в том, что индуктивность катушки с сердечником зависит от тока, протекающего через обмотку. Индуктивность большая при малых токах, но резко снижается когда достигается ток насыщения.
Третий заключается в том, что сердечник остаётся намагниченными, даже когда ток обмотке снижается до нуля. Этот эффект известен как гистерезис. В первых компьютерах этот эффект использовали для запоминания битов информации. Первое время гистерезис использовали в DC-DC преобразователях для управления их частотой.
B-H Кривые
Насыщение и гистерезис можно изучать, просматривая B-H кривые сердечника на осциллографе. На этих графиках можно наблюдать зависимость между напряжённостью магнитного поля (H) приложенной к сердечнику и результирующей магнитной индукцией (B) в сердечнике.
В тороидальном сердечнике H=W*I/Lc, где W - количество витков, I - ток и Lc - средняя длина окружности тороида. Так как N и L неизменны, то H пропорциональна току.
В этом испытании ток индуктора линейно нарастает и убывает до нуля. Сигнал, пропорциональный этому току, подаётся на вход Х осциллографа. На вход Y необходимо подать сигнал пропорциональный магнитной индукции. Этот параметр не может быть измерен непосредственно.
В воздухе B пропорциональна H и график B-H линеен и имеет постоянный наклон. Коэффициент B/H называется относительной проницаемостью сердечника, которая может быть ниже пяти для некоторых порошковых сердечников и больше 5000 для ферритов.
Типовой магнитный материал имеет кривую перемагничивания показанную на рис.1. Из графика видно, что проницаемость сердечника падает в области больших токов.
Рис.1 В-Н кривые слегка насыщенного сердечника
Использование кривых
Во многих DC-DC конвертерах к индуктору прикладывается постоянное напряжение. В этом случае поначалу ток линейно нарастает некоторое время, накапливая энергию в индукторе. Когда ток достигнет уровня насыщения, индуктивность падает и темп нарастания тока увеличивается. Этот нарастающий ток накапливает мало дополнительной энергии в индукторе, но может повредить ключевой транзистор. В DC-DC конвертерах индукторы практически всегда работают ниже уровня насыщения. Таким образом, для разработки, необходимо знать этот уровень. Сердечники с низкими потерями имеют B-H график в котором участки положительного и отрицательного перемагничивания практически совпадают, т.е. петля гистерезиса имеет минимальную площадь.
Инструмент для снятия B-H зависимости
Для ясности я разделяю схему тестера на генератор пилообразного тока (рис.3) и анализатор сердечника (рис.4). Генератор пилообразного тока формирует равные положительные и отрицательные пики тока. Ток, с помощью переключателя SW1 может ступенчато изменяться с шагом 0.5А.
Рис.3 Генератор пилообразного тока (540Гц)
Шунт R18 служит для измерения текущего значения тока и обеспечивает горизонтальную развертку (Х) осциллографа. Так как ток изменяется с постоянной скоростью, то напряжение на индукторе пропорционально его индуктивности. Если индуктивность неизменна, то напряжение будет иметь прямоугольную форму, где положительное и отрицательное значения будут пропорциональны индуктивности и скорости изменения тока. Если проницаемость изменяется, то индуктивность и напряжение соответственно изменятся.
На вход (Y) осциллографа необходимо подать сигнал пропорциональный индукции в сердечнике. Этот сигнал получается с помощью интегратора, на вход которого подаётся напряжение индуктора. В интеграторе любое смещение на входе приведёт к беспредельному росту выходного напряжения. Когда к индуктору не приложено постоянное напряжение, на входе Y так же должен быть ноль. Это условие достигается подключением резистора величиной 1 мегом (R24) параллельно интегрирующему конденсатору. Это незначительно изменяет отображаемую кривую, но позволяет игнорировать постоянное смещение на выходе Y.
Рис.4 Анализатор сердечника, формирующий сигналы горизонтальной и вертикальной развёртки
Рис.5 Внешний вид тестера
Список
Пункт Описание
U1 +8 V regulator, 7808, JRC
U2 -8 V regulator, 7908, JRC
U3 Function generator, ICL8038,Harris
U4 Dual op-amp, TL082, TI
U5 Dual op-amp, TL082, TI
Q1 PNP transistor, 2N3906
Q2 NPN power transistor, MJE200,ON Semiconductor
Q3 NPN transistor, 2N3904
Q4 PNP power transistor, MJE210,ON Semiconductor
D1 1A rectifier, 1N4001
D2 1A rectifier, 1N4001
C1 Electrolytic capacitor,2,200 uF 16V
C2 Electrolytic capacitor,2,200 uF 16V
C3 Electrolytic capacitor, 470 uF 10V
C4 Electrolytic capacitor, 470 uF 10V
C5 Plastic capacitor, 0.047 uF 50V
C6 Ceramic capacitor, 1,000 pF 50V
C7 Ceramic capacitor, 0.1 uF 50V
C8 Ceramic capacitor, 0.1 uF 50V
C9 Plastic capacitor, 0.047 uF 50V
R1 1% resistor, 13.0K
R2 1% resistor, 13.0K
R3 1% resistor, 3.01K
R4 1% resistor, 3.01K
R5 1% resistor, 6.04K
R6 1% resistor, 18.2K
R7 1% resistor, 2.21K
R8 5% resistor, 39K
R9 5% resistor, 1K
R10 1% resistor, 200 ohm
R11 1% resistor, 200 ohm
R12 1% resistor, 51.1 ohm
R13 1% resistor, 51.1 ohm
R14 1% resistor, 1.0K
R15 1% resistor, 1.0K
R16 2% resistor, 2.2 ohm 0.5 W
R17 2% resistor, 2.2 ohm 0.5 W
R18 2% resistor, 1.0 ohm 0.5 W
R19 1% resistor, 10.0K
R20 1% resistor, 20.0K
R21 1% resistor, 20.0K
R22 1% resistor, 100K
R23 1% resistor, 100K
R24 1% resistor, 1.00 M
R25 1% resistor, 20.0K
VR1 Trimmer, 2K
VR2 Variable resistor, 5K
L Тестируемая индуктивность
SW1 Переключатель на шесть положений
J1 Coax connector to PSU
J2 BNC connector (X output)
J3 BNC connector (Y output)
9 VAC 800 mA wall-transformer
|
Измеренная индуктивность-1.5мГн
Во время загрузки .asc прошло сообщение об атаке. Пока "вижу" только ошибку (в загруженном файле)- Lm=0.0927 (так должно быть)
