Как измерить индукцию насыщения трансформатора
Измерение некоторых параметров магнитопроводов
Нахождение магнитной проницаемости
Нахождение магнитной проницаемостиЭкспериментально найти магнитную проницаемость тороидального магнитопровода можно следующим образом. На образец ферромагнетика равномерно по всей длине наматывают пробную обмотку, состоющую из ряда витков провода, число витков которого обозначим буквой W. Чтобы точность определения магнитной проницаемости была высокой, число витков должно быть ориентировочно не менее 40.
На следующем этапе измеряют индуктивность пробной обмотки и рассчитывают магнитную проницаемость по следующей формуле:
где L — измеренная индуктивность катушки, мкГн;
Асоге — внешний диаметр магнитопровода, мм;
Всоге — внутренний диаметр кольцевого магнитопровода, мм;
Ссоге — высота магнитопровода, мм.
Выводы обмотки и соединительные провода, ведущие к измерительному прибору, обладают индуктивностями, что необходимо учесть при измерении. Паразитную индуктивность следует найти и вычесть из общей измеренной индуктивности катушки. Для минимизации паразитной индуктивности выводов их длина должна быть минимальна, желательно не более нескольких миллиметров.
Измерение индукции насыщения и напряженности поля магнитопровода
Наиболее просто измерить индукцию насыщения образца магнитопровода с помощью специализированного прибора: тесламетра. Промышленность выпускает тесламетры, принцип действия которых основан на использовании ядерного магнитного резонанса, баллистического гальванометра, преобразователя Холла и пр. Однако тесламетры — это довольно дорогие измерительные приборы, и к тому же — весьма дефицитные. Не все разработчики могут себе позволить специальное оборудование и часто используют известный способ измерения, для которого не требуется тесламетр. Рассмотрим его.
Измерить индукцию насыщения и напряженность поля магнитопровода можно с помощью электронно-лучевого осциллографа, причем измерение может быть выполнено с погрешностью, не превышающей нескольких процентов. Принципиальная схема стенда изображена на рис. 1.
Рис. 1. Схема измерительной установки
Резистор R1 обычно выбирают сопротивлением 0,1..1 Ом. Для того чтобы его наличие существенно не влияло на измеряемые параметры петли гистерезиса, этот резистор следует использовать с как можно меньшим сопротивлением. Однако, чем меньше сопротивление резистора R1, тем меньшее падение напряжение на нем, а, значит, для измерений может потребоваться высокочувствительный осциллограф. Спаянные выводы резистора R1, первичной обмотки трансформатора TV1 и провода к пластине горизонтального отклонения луча могут быть заземлены и электрически объединены с цепью, соединяющей выводы вторичной обмотки трансформатора TV1, конденсатора С1 и провода к пластине вертикального отклонения луча.
Трансформатор TV1 — это образец с искомыми магнитными параметрами. Переменное напряжение на его первичной обмотке пропорционально напряженности магнитного поля: 
где R1 — сопротивление резистора R1;
Н — мгновенная напряженность поля магнитопровода, А/м;
l0 — протяженность тороидального магнитопровода вдоль осевой линии, м;
W1— число витков в первичной обмотке.
Коэффициент масштабирования mх, выраженный в В/см, для горизонтально отклоняющих пластин вычисляют согласно выражению:
где lх — расстояние смещения луча по абсциссе, см.
Аналогичным образом, можно найти коэффициент масштабирования mу в В/см для вертикально отклоняющих пластин по формуле:
где ly — расстояние, на которое смещается луч вдоль ординаты, см.
Достоинство такого способа измерения заключается в возможности визуального контроля петли гистерезиса. Образец может быть исследован на высокой частоте, если это позволит полоса пропускания примененного осциллографа. Зная индукцию насыщения магнитопровода и напряженность поля, легко можно вычислить магнитную проницаемость по известной формуле:
где В — магнитная индукция, Тл;
Н — напряженность поля, А/м;
µ0 — магнитная постоянная вакуума, Гн/м.
Недостатки состоят в необходимости собирать макетную установку, состоящую из нескольких компонентов, и в наличии довольно большой погрешности измерения, основной вклад в которую вносит погрешность осциллографа и погрешность визуального считывания показаний.
Как рассчитать индуктивность силового трансформатора, формулы и примеры
Трансформатор, как элемент радиотехники и электротехники, работает на основе электромагнитной индукции. Говоря об индуктивности трансформатора, имеют в виду индуктивность обмоток и взаимоиндукцию между ними.
Каждая из обмоток представляет некоторое количество витков провода, намотанных на ферромагнитный сердечник, то есть обыкновенную катушку индуктивности.
Трудность в определении параметров катушки заключается в том, что они изменяются в зависимости от нескольких параметров и их сочетания:
Конструкция и принцип действия силового трансформатора
В основе конструкции любого трансформатора находятся следующие элементы:
В сетях переменного тока промышленной частоты (50 или 60Гц) в качестве ферромагнитного материала используется сталь, обработанная по специальной технологии. На высоких частотах часто делаются трансформаторы без сердечника, поскольку для нормальной работы достаточно взаимосвязи межу катушками.
ЭДС индукции в первичной обмотке направлена противоположно поданному напряжению, поэтому они взаимно компенсируются. В результате, при отсутствии нагрузки через первичную обмотку протекает сравнительно небольшой ток холостого хода.
Наличие тока вторичной цепи аналогично вызывает дополнительный магнитный поток, а он – ЭДС самоиндукции в первичное катушке. В результате компенсация первичного напряжения снижается и растет ток в первичной цепи.
Физическое понятие индуктивности обмоток
Индуктивность представляет собой коэффициент пропорциональности между током, создаваемым замкнутым электрическим контуром, и магнитным потоком, который создается этим контуром.
Более понятной формулировкой будет та, которая говорит о величине ЭДС самоиндукции в замкнутом контуре, которая возникает при изменении силы тока за единицу времени. То есть, понятие индуктивности справедливо для изменяющегося тока.
При постоянном токе говорить об индуктивности бессмысленно.
В идеальном трансформаторе все электромагнитное поле, создаваемое обмотками, замкнуто в магнитном сердечнике. В реальных конструкциях существует поле рассеяния, величина которого зависит от способа выполнения катушки и конструктивных особенностей сердечника. Чем больше толщина намотки, тем большая часть электромагнитного поля замыкается вне магнитопровода.
Этому способствует также качество сборки магнитопровода. Зазоры между пластинами способствуют резкому увеличению рассеивания. В связи с этим наилучшими свойствами обладают О-образные сердечники.
Формулы и измерение
Формулы для расчета индуктивности катушек довольно сложны и имеет различный вид для различных типов исполнения обмоток:
Наибольшие сложности возникают при расчетах многовитковых многослойных катушек, то есть тех, которые составляют обмотку трансформаторов.
В подавляющем большинстве случаев точный расчет невозможен, поэтому приходится использовать примерные данные и уточнять их после проведения измерений.
Формулы для расчета индуктивности трансформатора основаны на расчетах соленоида:
µ0 – магнитная постоянная;
µ – магнитная проницаемость сердечника;
N – количество витков;
S – площадь одного витка;
Для измерения индуктивности существует несколько методик и приборов, созданных на их основе. В большинстве случаев измерение производится путем вычислений индуктивного сопротивления катушки при подаче образцового напряжения заданной частоты и измеренного значения тока через обмотку.
В специализированных приборах вычисления производятся автоматически, и пользователь только считывает показания шкалы прибора, выраженные в единицах индуктивности – Гн, мГн или мкГн.
Как измерить в домашних условиях
Приборы для непосредственного измерения индуктивности имеют высокую стоимость и редко используются в домашних условиях. С приемлемой точностью результаты можно получить, используя обычные приборы для измерения переменного тока: амперметр и вольтметр. Также необходим омметр.
Порядок действий следующий:
Как правило, активное сопротивление намотки значительно (на несколько порядков) меньше индуктивного, поэтому можно его не учитывать. Именно поэтому, включение трансформатора в цепь постоянного напряжения вызывает короткое замыкание. Ток обмотки при этом будет ограничиваться только активным сопротивлением.
Пример расчета
К примеру, требуется рассчитать индуктивность первичной обмотки трансформатора питания. Путем измерений определено:
Активное сопротивление меньше полного в 10000 раз и его можно не учитывать.
На этой странице порассуждаем о тороидальных магнитопроводах из ферритов, распылённого железа, электротехнической стали и их способности противостоять постоянному току.
Зависимость приведена при температуре изделия +25 гр.С.
Интересующие нас параметры из datasheet-а производителя:
Переходим к незамысловатым формулам!
Поскольку рабочий режим магнитопровода мы выбираем в линейной области петли гестерезиса, то в качестве значения µ можно использовать паспортную характеристику начальной магнитной проницаемости сердечника.
Теперь можно рисовать калькулятор для расчёта магнитной индукции в катушке с учетом выбранного типа сердечника и конкретного количества витков обмотки.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В КАТУШКЕ С ТОРОИДАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ.
Давайте посчитаем этот параметр.
РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СЕРДЕЧНИКА С ЗАЗОРОМ.
Таблица даёт приблизительную, но, в большинстве своём, приемлемую точность расчёта при величинах длины воздушного зазора 0,2-2 мм.
Определив ниже магнитную проницаемость сердечника с зазором, следует ввести это значение в предыдущий калькулятор и заново произвести вычисления магнитной индукции и индуктивности катушки.
Для наглядности приведу два графика петли гистерезиса Ш-образного ферритового сердечника марки N87 без немагнитного воздушного зазора и с зазором около 1 мм. Феррит ETD 59/31/22, достаточно крупный, с средней длиной магнитного контура le = 139 мм.
Механизмы влияния зазора у Ш-образных и тороидальных сердечников абсолютно идентичны.
Эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором уменьшилась и составила величину 160 единиц. Соответственно, уменьшился и наклон петли, позволяя сердечнику работать при гораздо больших значениях напряжённости магнитного поля вдали от области магнитной индукции насыщения сердечника.
А учитывая то, что значение напряжённости H прямо пропорционально, протекающему через катушку току, можно с уверенностью сказать, что область безопасных индукций теперь соответствует более чем на порядок большим токам в обмотке.
Линейная область петли гистерезиса также заметно увеличилась, что позволяет увеличить максимальные рабочие значения магнитной индукция в сердечнике вплоть до 0,85-0,9 от значения справочной характеристики Bнас (Bs).
Измерение напряженности поля и индукции насыщения магнитопровода
Пожалуй, самым простым способом измерения индукции насыщения будет применения специального прибора – тесламетра. Тесламетры выпускаемые промышленностью используют для измерений принципы преобразователя Холла, ядерного магнитного резонанса, баллистического гальванометра и других способов. Но такие приборы имеют один существенный недостаток – цена. К тому же они довольно дефицитные и встречаются довольно редко. Именно поэтому позволить использовать тесламетр могут себе не все, кто занимается разработкой электронных систем. Довольно часто применяют другой метод измерения – не требующий наличия тесламетра.
Более простой метод для измерения напряженности поля и индукции насыщения магнитопровода это применение электронно-лучевого осциллографа. При этом погрешность этого измерения не превысит и нескольких процентов. Схема установки:
Измерительный резистор R1 подбирают с сопротивлением, лежащим в пределах от 0,1 Ом до 1 Ом, чтоб минимизировать его влияние на измерение гистерезисной петли. Однако слишком малое R1 потребует более чувствительного осциллографа, так как падение напряжения на нем будет слишком мало. Спаянные выводы с R1, первичной трансформаторной обмотки TV1, а также провода ведущего к горизонтальной пластине X могут заземляться и электрически объединяться с цепью, которая соединяет провода к вертикальной пластине луча осциллографа Y, выводы обмотки вторичной TV1, конденсатора С1.
TV1 трансформатор, в котором происходит поиск магнитных параметров. Переменное напряжение, которое подано на первичную обмотку, будет пропорционально напряженности магнитного поля:
Где: R1 – ничто иное, как активное сопротивление резистора;
H – напряженность мгновенная поля магнитопровода, А/м;
l0 – длина магнитопровода тороидального вдоль осевой линии, м;
W1 – количество витков, присущих первичной обмотке трансформатора;
Где: S – площадь поперечного сечения сердечника;
Перед выполнением измерений необходимо отградуировать осциллограф. Для этого от генератора на горизонтальный и вертикальный канал подают напряжение среднеквадратичное известной величины Ux и Uy. После чего производят вычисления масштабных коэффициентов.
Для горизонтально отклоняющихся пластин (ось Х) коэффициент масштабирования вычисляется по формуле, выраженный в В/см:
lx, ly – расстояние, на которое смещаются лучи вдоль осей Х и Y соответственно, см.
Плюсом такого способа будет то, что присутствует возможность визуального контроля за гистерезисной петлей. Исследования могут проходить и на высоких частотах, если это позволяет полоса пропускания используемого осциллографа. Магнитную проницаемость можно легко вычислить, зная напряженность поля и индукция насыщения магнитопровода:
Где: В – индукция магнитная, Тл;
Н – напряженность поля, А/м;
μ0 – постоянная магнитная вакуума (справочная величина), Гн/м;
К недостаткам данного способа измерения можно отнести необходимость сборки макета, а также возможную большую погрешность, если применен осциллограф с недостаточным классом точности, или при визуальном считывании показаний, или все вместе.
Определитель насыщения сердечников из феррита или как сделать дроссель для импульсного источника питания
Содержание / Contents
↑ Теория
Сложнее определить, войдет сердечник в насыщение (и нарушится нормальная работа блока питания) или нет. Многолетний редактор журнала «Радио» и автор множества статей по тематике импульсных преобразователей Сергей Алексеевич Бирюков написал статью «Дроссели для импульсных источников питания на ферритовых кольцах». В ней есть практическая схема, позволяющая увидеть и измерить ток насыщения на экране осциллографа.
В статье множество формул и таблиц, я же постараюсь объяснить всё ненаучно, на пальцах.
Для того чтобы сделать дроссель надо рассчитать или взять из datasheet нужную индуктивность. Берем сердечник, на котором будем наматывать катушку и мотаем несколько десятков витков удобным проводом, например, 0,3 мм. Измеряем индуктивность, затем рассчитываем, сколько надо витков для будущего дросселя. Для этого вспоминаем, что индуктивность прямо пропорциональна квадрату числа витков. Если намотано 30 витков и индуктивность 20 мкГн, то чтобы получить 180 мкГн, надо намотать 90 витков.
Надо только не забывать, что индуктивность лучше делать немного бОльшей, чем рекомендуется и что при уменьшении числа витков индуктивность падает гораздо быстрее, чем растет допустимый ток. Кроме того, для уменьшения потерь надо использовать толстый провод.
Не исключено, что данный сердечник может не подойти, тогда, если это кольца, можно сложить два-три кольца или взять другой типоразмер или даже включить два дросселя последовательно.
↑ Схема
Я собрал измеритель на небольшой плате, детали самые обычные, там, где удобно, ставлю SMD и вам советую. Полевой транзистор — любой с нужной проводимостью на ток от 20 А и выше, с низким сопротивлением канала в открытом состоянии, можно низковольтный. Я поставил IFRP150. Стабилизатор 6 В на микросхеме 78L06. Если ее нет, можно ставить 78L05 и добавить 1-2 диода типа КД522 в разрыв общего провода 78L05 анодом к стабилизатору. Емкости С3С4 я поставил по 2200 мкФ на 35 В. Номиналы деталей не критичны. В процессе испытаний я понял, что нужна небольшая доработка схемы. Вместо VD3 VD4 я поставил один стабилитрон Д816В. Для увеличения импульса тока до 12 А между базой и эмиттером VT1 надо поставить резистор с номиналом, как у R5. Эти небольшие изменения позволяют испытать готовые индуктивности в несколько миллигенри. Номинал R4 я уменьшил втрое, что сделало луч на экране более ярким. Сигнал к входу синхронизации осциллографа снимается с вывода 11 микросхемы через резистор 1 кОм.
↑ Наладка
Вместо L1 подключить резистор примерно 1 кОм и проверить прямоугольную форму импульсов на выводе 11 микросхемы, на стоке, проверить регулировку изменения скважности от R3. При исправных деталях наладка не требуется. Если необходимо, можно по вкусу изменить частоту и диапазон регулировки емкостью С2 и резисторами R3R4.
↑ Работа с прибором
Возможны варианты – перелома не будет, а будет треугольник, который не растет при повороте регулятора R3. Это значит, насыщения нет, надо увеличить число витков катушки. Или форма не треугольная, а сглаженная – велико активное сопротивление катушки.
Если вы проверяете трансформатор, будьте осторожны, на неподключенных обмотках может быть значительное напряжение! И категорически запрещаю проверять так строчные телевизионные трансформаторы или силовые трансформаторы компьютерных блоков питания! Если катушка имеет индуктивность несколько миллигенри, она накапливает значительную энергию, которую поглощает мощный стабилитрон (он за этим и нужен), при этом он сильно разогревается (я это почувствовал по запаху), поэтому измерения таких катушек должны быть непродолжительны (я не спеша настраиваю осциллограф с небольшим импульсом, а потом поворачиваю ось R3 и засекаю ток перелома).
↑ Печатная плата
↑ Итого
Для тех, кто занимается импульсными источниками питания, данный прибор будет полезен. Радиолюбитель обычно делает единичные устройства из тех узлов из деталей, которые может найти. Я не согласен с теми, кто пишет, что для LM2576 дроссель можно намотать на гвозде. Работать он может и будет (за счет внутримикросхемных ограничителей и предохранителей), но получить хороший КПД и хорошую стабилизацию не получится. Прибор, конечно, не первой необходимости, но дешев, прост и портативен, поэтому иметь его полезно.
↑ Файлы
Оригинальная статья Бирюкова и плата в формате LAY
🎁core_ind.rar 271.77 Kb ⇣ 360
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать
Опробовано в лаборатории редакции или читателями.