Тестер силовых дросселей и трансформаторов

При сборке или ремонте импульсных источников питания важно уметь тестировать дроссели и трансформаторы. Хотя есть такие приборы как измерители индуктивности, они говорят только часть того, что нужно знать, потому что не могут проверить дроссель на ток насыщения, не говоря уже об определении линейности. По этой причине был спроектирован простой тестер, который в сочетании с БП и осциллографом позволит измерять индуктивность, видеть кривую намагничивания, выяснять ток насыщения, насколько острым является насыщение и видеть, действительно ли дроссель насыщается или ток ограничен сопротивлением.

Схема может тестировать элементы во всем диапазоне индуктивностей, обычно встречающихся в импульсных источниках питания, инверторах, зарядных устройствах, контроллерах двигателей и так далее. Она способна тестировать ток насыщения до примерно 100 А.

Схема принципиальная тестера

Тут есть большая батарея конденсаторов, две микросхемы 555, генерирующие последовательность импульсов переменной длины, управляя МОП-транзистором, который подает эти импульсы на тестируемый индуктор. Ток индуктора измеряется резистором с низким сопротивлением, результирующее напряжение подается на осциллограф, где и производятся измерения.

Первая из микросхем генерирует частоту повторения импульсов, в то время как вторая — фактическую длину импульса, подаваемого на индуктивность. Имеется переключатель диапазона, который выбирает конденсаторы синхронизации для обоих таймеров, и потенциометр, который точно настраивает длину импульса. В медленном диапазоне частота повторения составляет примерно 20 Гц, что является самой низкой частотой, позволяющей получить стабильную, легко читаемую трассу на типичном осциллографе. Длительность импульса регулируется примерно от 300 мкс до 10 мс в этом диапазоне. В быстром диапазоне длительность импульса изменяется от 10 мкс до этих 300 мкс, а частота повторения составляет примерно 600 Гц, что дает хорошую интенсивность трассы при скоростях развертки, используемых для этих длин импульсов. Таким образом, эта схема в основном охватывает диапазон длительности импульса от 10 мкс до 10 мс с соответствующими частотами повторения.

Выход второго чипа напрямую управляет сильноточным МОП-транзистором, который подключает конденсаторную батарею к тестируемому индуктору. Конденсаторы удобно заряжать до чуть более 10 В от лабораторного БП с ограничением тока, так что напряжение, приложенное к индуктору, максимально близко к 10 В. Это упрощает дальнейшие расчеты. Но можно использовать любое напряжение питания от 10 до 15 В.

Резистор датчика тока составляет 10 мОм, так что выход на осциллограф имеет шкалу 10 милливольт на ампер. Очень узкий образец импульса управления также соединен с выходом осциллографа через C18 и R7, чтобы облегчить запуск осциллографа в начале каждого импульса. Есть диод и резистор для безопасной разрядки индуктора после окончания каждого импульса.

Вначале использовался MOSFET 3105, но позже был заменен на 3205, у которого гораздо меньшее сопротивление.

Собран тестер на двух кусках макетной платы. На одной находится силовая схема, включая набор электролитических конденсаторов. Цель состоит в том, чтобы получить примерно 40 000 мкФ или больше, с очень низким ESR. Номинального напряжения 16 В на самом деле достаточно, хотя и больше не повредит.

MOSFET и силовой диод не нуждаются в радиаторах благодаря низкому рабочему циклу, с которым они работают.

Схема управления была собрана на отдельной плате, как по практическим соображениям, так и для предотвращения магнитных помех от высокого импульсного тока в областях таймера с высоким сопротивлением. Переключатель диапазонов установлен на этой плате, так что вся она может быть удобно держаться только этим переключателем.

Толстые провода, используемые для соединения конденсаторов, MOSFET, диода и силовых резисторов, нужны для низкого ESR. Большинство проводов медные, но есть один блестящий серебристый провод. Это резистор 10 мОм — просто кусок оцинкованной стальной проволоки для ограждения. Его температурный коэффициент может не самый лучший, но он дешевый, доступный, легко паяется и работает достаточно хорошо.

Эти платы и другие вещи помещаются в маленькую пластиковую коробку.

Использовался разъем BNC для выхода осциллографа и разъем RCA для входа источника питания. Соединения с тестируемой катушкой индуктивности вообще не имеют разъемов — просто толстые короткие многожильные провода, которые припаиваем к катушкам. Это намного лучше, чем любые зажимные разъемы, когда надо пропустить импульсы 100 А без лишнего сопротивления!

Использование прибора

Тестер должен питаться от источника питания с ограничением по току, поскольку в противном случае можно значительно превысить возможности рассеивания мощности разрядных резисторов при настройке элементов управления на слишком большую длительность импульса для данного индуктора. БП в идеале должен быть регулируемым до немного более 10 В, скажем, около 10,2 В для дросселей с малым током и до 12 В для самых больших. Если такого источника нет, подойдет фиксированное напряжение 12 В, но тогда понадобится калькулятор при выполнении математических расчетов.

Допустимая сила тока источника должна быть около 1 А. Этого будет достаточно для почти всех тестов. Но если у вас закончится заряд при тестировании очень большого трансформатора или дросселя, то можете увеличить предел тока до 2 А или даже 3 А, но тогда проводите только очень короткие тесты! С другой стороны, когда тестируете крошечные катушки и трансформаторы, этот гаджет может легко выдавать достаточно тока, чтобы полностью расплавить маленькие катушки, поэтому следует использовать лабораторный источник питания с регулируемым ограничением тока до низкого значения. Например ограничение в 100 мА при тестировании небольших компонентов (но даже это может быть слишком много для самых маленьких).

Идея, в любом случае, заключается в том, что если установите слишком большое время импульса, источник питания должен перейти в ограничение тока задолго до того, как тестируемый элемент будет поврежден.

Осциллограф должен иметь калиброванную шкалу, реакцию постоянного тока и иметь возможность срабатывать на положительном фронте. По сути, каждый современный соответствует этим требованиям.

Это полная форма сигнала, отображаемая на экране. Она начинается с положительного подъема, поскольку ток в катушке увеличивается, пока цепь подает на нее 10 В. Обычно этот наклон не будет линейным — он может иметь один, два или даже больше изгибов, вызванных насыщением и другими нелинейными эффектами сердечника, сопротивлением обмотки и даже тестером.

Затем наклон заканчивается, что приводит к отрицательному импульсу, исходящему как от схемы управления, так и от емкостей MOSFET. Обратите внимание, что это не индуктивный разряд катушки! Он направлен в сторону от осциллографа. Хотя часть тока разряда индуктора может быть магнитно связана с выходом осциллографа.

А затем наступает время паузы, после которого цикл повторяется. Можете увидеть положительный импульс запуска в начале второго наклона. Тот, что на первом наклоне, скрыт первой линией сетки.

Начинаем проверку, припаяв катушку, установив тестер на самую короткую длину импульса, затем включив питание, настроив осциллограф так, чтобы увидеть хотя бы полную первую область, а затем медленно увеличивайте длину импульса, пока не увидите, что рампа изгибается вверх. Это точка насыщения индуктора, и обычно нет смысла проверять при более высоком токе. Не увеличивайте длину импульса намного больше, иначе получите действительно большие импульсы тока, и перегрев.

Теперь нужно настроить осциллограф, чтобы увидеть интересную часть кривой в деталях. Это вся рампа до точки насыщения, в большинстве случаев.

Эксперимент N1

Вот дроссель фильтра высоковольтного полумостового прямоходового преобразователя, также известного как блок питания ПК. Он намотан на тороидальном сердечнике, сделанном из очень плотного, мелкозернистого, порошкообразного железа. Эти сердечники имеют проницаемость около 70-100, что является наивысшей доступной цифрой для порошкового железа. Для теста подключим только одну из его обмоток. Другие обмотки были оставлены свободными.

Осциллограф настроен на 100 мВ и 10 мкс на деление. На экране видно, что после кратковременного звона начинается пандус, обусловленный паразитной ёмкостью. Поначалу пандус идёт под определённым углом, но примерно через 5 мкс его наклон уменьшается — это указывает на увеличение индуктивности при данном уровне тока. Далее, примерно через 30 мкс, наклон снова увеличивается, что свидетельствует о снижении индуктивности. Такое снижение продолжается и известно как «колено насыщения». В конечной части сигнала пандус становится ещё круче и стабилен — это означает, что сердечник полностью насыщен, и теперь индуктивность приближается к той, которую дала бы катушка без сердечника, то есть в воздушной среде.

Насыщение этого сердечника очень мягкое, на что указывает мягкое колено, имеющее большой радиус по сравнению с размером всего наклона.

Нулевое напряжение находится на линии на одно деление выше снизу. Если мы возьмем в качестве предела насыщения середину колена, что примерно через 50 мкс после начала наклона, это будет напряжение 150 мВ. Учитывая, что тестер имеет чувствительный резистор 10 мОм, это означает ток катушки 15 А. Таким образом можем сказать, что этот индуктор насыщается очень грубо при 15 амперах, протекающих в его обмотке. Подсчитав количество витков и умножив его на этот ток, можем получить определенное количество ампер-витков, которое насытит этот конкретный сердечник, но надо помнить, что, поскольку насыщение этого сердечника настолько слабое, трудно сказать, на каком уровне мы будем считать его насыщенным!

Для измерения индуктивности этой обмотки настройки осциллографа, указанные выше, недостаточны. Индуктивность, которую мы обычно хотим измерить, — это величина до насыщения, а эта часть трассы слишком мала, чтобы точно считывать данные с экрана. Поэтому сначала уменьшаем длительность импульса, чтобы закончить импульс до насыщения сердечника. Настройки осциллографа остались прежними, была уменьшена только длительность импульса. А затем перенастраиваем осциллограф, чтобы эффективно использовать экран. В этом случае настройки составляют 10 мВ и 2 мкс на деление.

Наиболее значима в силовой электронике индуктивность при средних токах, задолго до насыщения, но не при очень низком токе. В любом случае, этот простой тестер имеет некоторые паразитные эффекты в самом начале импульса, заданные импульсом заряда затвора МОП-транзистора, поэтому лучше избегать этой области. Поэтому берем последние 5 горизонтальных делений этой трассы, где она представляет собой хороший прямой наклон. Это 10 мкс и 2,2 вертикальных деления, что составляет 22 мВ — соответствует 2,2 А. Итак, теперь знаем, что при подаче 10 В этот индуктор позволяет току вырасти на 2,2 А за 10 мкс. И теперь можем применить определение Генри:

H = V х s / A

Подставляя наши значения:

10 В х 0,00001 с / 2,2 А = 0,000045 Гн

Таким образом, индуктивность составляет 45 мкГн.

Поскольку достаточно легко подсчитать количество витков этой обмотки, теперь мы можем вычислить как значение AL, так и ампер-витки насыщения для этого сердечника, а это основные данные, необходимые для проектирования любой катушки с его использованием. Только потери в сердечнике этот тестер не может легко измерить. Тем не менее, можете взять любой неизвестный сердечник, намотать на него тестовую катушку и использовать данный тестер для определения основных характеристик сердечника.

Эксперимент N2

Давайте попробуем еще один эксперимент. Эта слегка поврежденный, но все еще отлично работающий синфазный дроссель, предназначенный для использования в шумовых фильтрах на входе импульсных источников питания. Обычно они намотаны на феррит с высокой проницаемостью, который имеет сильную резистивную составляющую в диапазоне ВЧ, что обеспечивает хорошее поглощение нежелательных высокочастотных сигналов. Как и в случае выше, подключим только одну обмотку.

Фото сделано при 20 мВ и 100 мкс на деление. Очень острый, четко определенный изгиб насыщения сразу бросается в глаза. До изгиба наклон наклонной плоскости очень низкий, что указывает на высокую индуктивность. После изгиба индуктивность намного ниже.

Просто ради интереса давайте посчитаем, какая индуктивность будет, когда сердечник насыщен: В 5 вертикальных делениях мы получаем 1,8 горизонтальных. Это 100 мВ, то есть 10 А, за 180 мкс. Приложенное напряжение 10 В, определяется лабораторным источником питания. Итак:

10 В х 0,00018 с / 10 А = 0,00018 Гн, или 180 мкГн.

Теперь уменьшим длину импульса, чтобы включить колено насыщения, но остановимся после него, и сбросим осциллограф на 1 мВ и 50 мкс на деление. Видно что значительное насыщение начинается на 1 делении выше нулевой линии (0,1 А), колено центрируется примерно на 1,6 делениях (0,16 А), а сердечник полностью насыщен примерно при 0,4 А в этой катушке.

На полезной части наклонной плоскости, до насыщения, получаем около 0,6 вертикальных делений на 5 горизонтальных. Это означает 0,06 А за 250 мкс, что дает примерно 42 мГн. Обратите внимание, что это миллигенри, в то время как все упомянутые выше индуктивности были намного меньше и указаны в микрогенри!

Итак, теперь можем сказать, что одна обмотка этого синфазного дросселя имеет индуктивность 42 мГн, имеет жесткое насыщение примерно при 160 мА, и при насыщении у нее остается 180 мкГн — это означает, что индуктивность падает в 233 раза из-за насыщения!

Такое поведение типично для дросселей, намотанных на ферритовых сердечниках с высокой проницаемостью, без воздушных зазоров. Фактически, резкое насыщение этого дросселя является показателем того, что остаточный воздушный зазор, который возникает из-за неидеально отполированных сопрягаемых поверхностей половин сердечника, очень мал, что указывает на хорошее качество отделки сердечника.

Обычный способ использования синфазного дросселя заключается в последовательном соединении его двух обмоток с двумя полюсами линии. Таким образом, весь большой ток протекает через две обмотки в противоположных направлениях, нейтрализуя магнитный поток. По этой причине этот синфазный дроссель может выдерживать несколько ампер в своем нормальном рабочем режиме, даже не приближаясь к насыщению. Фактический рабочий ток ограничен нагревом провода, а не сердечником! Кроме того, дроссель не будет противостоять почти никакой индуктивности таким токам нормального режима (дифференциального режима). Но он будет противостоять своей полной ненасыщенной индуктивности низкочастотным синфазным сигналам, и на радиочастоте будет терять, поглощая радиочастотный шум.

Эксперимент N3

И ещё один тестовый экземпляр: самодельный ленточный трансформатор, предназначенный для инвертора 12 В в 220 В. Он имеет 2 первичных обмотки 12 В и вторичную обмотку 45 В. Несколько блоков двухтактного преобразователя, каждый из которых использует один из этих трансформаторов, соединены со своими вторичными обмотками последовательно.

Для этого теста использовали вторичную обмотку.

След напоминает след синфазного дросселя. В конце концов, оба используют высокопроницаемые ферритовые сердечники без зазоров. Но одно отличие очевидно: колено мягче. Это в основном из-за того, что этот недорогой сердечник имеет менее хорошо отполированные посадочные поверхности, так что есть значительный нерегулярный воздушный зазор. В результате гранулы феррита, фактически соприкасающиеся в стыке половин сердечника, будут принимать много потока и насыщаться первыми, в то время как гранулы, разделенные некоторым количеством воздуха, только затем начнут принимать больше потока и насыщаться немного позже. Весь сердечник будет хорошо насыщаться после этого. Это распространяет явление насыщения на более широкий диапазон тока, расширяя и смягчая перегиб.

Другое отличие менее очевидно: соотношение индуктивностей в насыщенных и ненасыщенных условиях немного менее экстремально, чем для синфазного дросселя. Это связано с тем, что феррит, используемый для этого трансформатора, имеет немного более низкую проницаемость.

И, конечно, абсолютные значения индуктивности и тока насыщения различны из-за совершенно разных чисел витков и размеров сердечника.

Индуктивность, измеренная в таком трансформаторе, определяет ток намагничивания, который он будет принимать при приложении определенного напряжения и частоты. Этот ток намагничивания необходимо поддерживать ниже уровня насыщения, а на любой частоте выше примерно 10 кГц его необходимо поддерживать еще ниже, чтобы избежать чрезмерных потерь в сердечнике и нагрева. Фактический ток, переносимый каждой обмоткой, может быть намного больше, поскольку первичные и вторичные токи компенсируют друг друга, за исключением этого тока намагничивания.

Итоговая таблица

Вот таблица, описывающая процесс работы с тестером дросселей и трансформаторов:

Шаг	Описание	Параметры / Рекомендации
Подготовка питания	Подключите тестер к лабораторному источнику питания с регулируемым напряжением и ограничением тока.	Напряжение: 10–12 В (оптимально 10,2 В для малых токов, до 12 В для больших индукторов); ток: 1 А (до 2–3 А для коротких тестов).
Ограничение тока	Установите ограничение тока на БП для защиты тестера и катушек от перегрузки.	100 мА для малых катушек; 1 А для большинства тестов; до 2–3 А для больших индукторов (короткие тесты).
Подключение индуктора	Припаяйте тестируемую катушку или трансформатор к толстым проводам тестера.	Используйте короткие многожильные провода без зажимов для минимизации сопротивления при токах до 100 А.
Настройка осциллографа	Подключите выход тестера (BNC) к осциллографу, настройте запуск и шкалу.	Запуск по положительному фронту; шкала: 10 мВ/А (через резистор 10 мОм); реакция на DC.
Выбор начальной длительности	Установите минимальную длительность импульса с помощью потенциометра.	Начните с 10 мкс (быстрый диапазон) или 300 мкс (медленный диапазон), в зависимости от индуктора.
Включение питания	Включите источник питания и убедитесь, что осциллограф показывает сигнал.	Проверьте стабильность трассы; частота: 20 Гц (медленный) или 600 Гц (быстрый).
Регулировка импульса	Медленно увеличивайте длительность импульса, наблюдая кривую тока на осциллографе.	Увеличивайте до появления изгиба (точка насыщения); избегайте чрезмерного увеличения во избежание перегрева.
Определение насыщения	Найдите точку изгиба кривой (колено насыщения) для определения тока насыщения.	Ток = напряжение на осциллографе / 0,01 (например, 150 мВ = 15 А).
Измерение индуктивности	Уменьшите длительность импульса до ненасыщенной области, измерьте наклон тока.	L = V × t / ΔI (например, 10 В, 10 мкс, 2,2 А → L = 45 мкГн).
Детализация кривой	Настройте осциллограф для увеличения интересующей части кривой (до или после насыщения).	Пример: 10 мВ и 2 мкс/деление для точного анализа ненасыщенной области.
Безопасность при тестировании	Следите за ограничением тока БП, чтобы избежать повреждения катушек или тестера.	Не превышайте 2 Вт длительно; для малых катушек снижайте ток до 100 мА или ниже.
Анализ результатов	Оцените кривую намагничивания, ток насыщения, остроту насыщения и линейность.	Сравните наклон до и после насыщения; определите, ограничен ли ток сопротивлением или насыщением.
Завершение теста	Выключите питание, отсоедините индуктор, дайте тестеру остыть при необходимости.	Диод и резистор разрядки автоматически сбрасывают энергию индуктора после импульса.
Рекомендации по диапазонам	Используйте медленный диапазон (20 Гц) для больших индукторов, быстрый (600 Гц) для малых.	Медленный: 300 мкс – 10 мс; быстрый: 10 мкс – 300 мкс; переключайте диапазон переключателем.
Проверка малых катушек	Установите низкое ограничение тока и короткие импульсы для предотвращения повреждения.	Ограничение тока: 50–100 мА; длительность: 10–50 мкс; следите за риском расплавления.
Проверка больших индукторов	Увеличьте ток и длительность импульса, но проводите короткие тесты.	Ток до 2–3 А; длительность до 10 мс; избегайте перегрева разрядных резисторов.

В принципе технология несложная и вполне понятная, протестировав пару дросселей и трансформаторов можно лучше в неё вникнуть и далее делать расчёты на автомате. Удачи!