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[其他] 计算测量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方法

2021-7-19 20:25:21 901 0 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

小uu 帖主

2021-7-19 20:25:21

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

由于磁饱和现象,铁芯的直流磁化会影响铁芯线圈的电感量,从而影响其在利用中的性能。笔者在以往文献的根本上,提出了一种可以丈量分歧直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式,并经过尝试对其性能和利用停止了分析和探讨。本方式简单适用,合适专业条件下便宜。
关键词:磁饱和;直流磁化;铁芯线圈;电感量丈量

一、前言
众所周知,由于磁饱和现象,铁芯线圈中的直流成份会致使铁芯的直流磁化,进而影响线圈的电感量。很多电子线路中,铁芯线圈的设想工作状态含有直流成份。常见的例子包括滤波线路中的扼流圈、仅以电感作为负载的电压放大级、单端功率放大器的输出变压器等。别的一些情况下(例如推挽放大器的输出变压器),虽然设想的工作状态不含直流成份,可是由于两臂元器件的不服衡,现实工作时也能够会发生直流成份。是以,正确地丈量分歧直流磁化情况下铁芯线圈的电感量,对于电子线路的设想、建造和调试具有重要意义。

但是,今朝大部分带电感丈量功用的多用表,都只能丈量不带直流成份时的电感量。笔者在文献中看到,贾萍舟在《无线电与电视》2008年第11期上颁发的《单端甲类功率放大电路中的单端输出变压器》一文中,提出过一种在直流磁化条件下丈量电感量的线路,如图1所示。

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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图1 贾萍舟的加直流恒流的电感测试电路。摘自《无线电与电视》
2008年第11期4-39《单端甲类功率放大电路中的单端输出变压器者》。

该线路操纵五级管6V6GT组成恒流源,经过阴极电阻的电流负反应使得6V6GT的等效内阻大于200 kΩ。经过R1 100kΩ电阻向被测电感送入约2.2 mA的交换恒流 I ,经过丈量电感上的压降V求得电感量L,如公式1所示:

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该设想道理清楚,线路简洁,笔者决议脱手试制,以观察实效。
本文第二部分会商对线路的改良。第三部分会商现实建造进程以及对线路的进一步改良。第四部排罗列了几个现实丈量的例子,以及丈量进程中发现的一些成心义的现象。第五部分会商进一步的改良的空间。第六部分作一个总结,并会商尝试自己激发的新的疑问。最初是道谢和参考文献。
二、改良设想
在现实脱手安装之前,笔者感觉,图1的线路以及公式1存在改良的空间,罗列以下。

2.1 电流丈量方式

在图1的线路中,直流电流表接在阴极回路,丈量到的是屏极电流与帘栅极电流之和。只要屏极电流流经待测电感,是以电流表的读数并不能正确反应铁芯线圈内的现实直流电流。是以,笔者将电流表改接到屏极回路,如图2所示。这样,我们就能确保电流表丈量到的,只是流经待测线圈Lx的直流成份,从而解除了帘栅极电流的影响。

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图2 改良后的初步设想。2.2 电网电压波动

电网电压常常会有波动,原文仅按照牢固电压及串联电阻来推算电流,具有潜伏的误差风险。

2.3 线圈内阻影响

原文中看待测电感的计较,假定了线圈两真个电压,完全由其感抗构成,而没有斟酌了线圈内阻的影响。这能够会影响到对电感量预算的正确性。

斟酌到上述两个身分,笔者决议同时丈量限流电阻R1上的电压和待测电感Lx两真个电压,并以以下公式计较电感量:

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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其中Rw为待测线圈的直流内阻。

2.4 电流范围

原文没有专门会商可用的电流范围,只是在测试实例中提到了71 mA电流,并写道“测毕实时断开K,免得在跨越6V6板耗下持久工作损坏电子管”。可以猜测原文作者意想到此时6V6已经超标利用。
按照图1中的整流电路,我们可以大略预算当输出电流在70 mA左右时,直流输出电压在260 V伏左右。

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图3 GE公司公布的6V6GT均匀屏压特征曲线(牢固帘栅极电压)。

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图4 GE公司公布的6V6GT均匀屏压特征曲线(牢固控制栅极电压)。

图3和图4是GE公司公布的6V6GT的均匀屏流特征曲线。它们别离显现了牢固帘栅电压时控制栅电压和屏极电压对屏流的影响,和牢固控制栅电压时帘栅极电压和屏极电压对屏极电流的影响。按照这两组曲线,我们可以预算出图1的电路在测得阴极直流为70 mA时,帘栅极电压约为130 V,屏极电流约为60 mA,帘栅极电流约为11 mA,而阴极电压仅为1 V左右,也就是说,阴极的可变电阻已经调至零阻值的位置。

由此可以得出两个结论。首先,此时现实流经电感的直流电流,只要60 mA左右。测得的电感量,分歧于电流真正到达71 mA时的数值。其次,由于阴极电阻已经没法再调小,现实可用的直流电流不跨越60 mA。

别的,当屏极电压为260V,电流为60 mA 时,屏极的输入功率为260 * 0.06 = 15.6 W。手册中给出的6V6GT的最大屏耗为12 W,是以该状态下的屏耗已经超标30%。所以,原文中的提醒是非常得当的。

笔者手头的几枚待测电感,标称电流在80 mA至100 mA。想要获得比力牢靠的实测数据,就需要拓宽丈量电流的上限,也就是需要挑选可用屏耗更大的管子。因而,笔者决议操纵手头现成的一枚6P3P电子管。其最大屏耗为20.5 W,是以在屏压为250 V时,可以平安地供给82 mA的电流,在屏压200 V时,可以供给102 mA电流,合适设想方针。

6P3P的屏极特征曲线如图5和图6所示。

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图5 6P3P均匀屏压特征曲线(牢固帘栅极电压)。

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图6 6P3P均匀屏压特征曲线(牢固控制栅极电压)。三、现实建造

3.1 原型建造

由因而初次实验,同时斟酌到专业利用,不会很频仍。是以先操纵手头现成的元件组装了一个比力粗陋的原型,作为实验和改良的根本。全部线路以一个管座架为依托,元件焊接在一片3 cm x 7 cm的洞洞板上,经过接线端子与外围的电源及丈量仪器等相连。
出于平安性的斟酌,倡议筹算打手便宜的读者挑选更加平安的设想。

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图七  原型表面
3.2内阻丈量与改良

对于交换信号,屏极内阻是并联在待测电感上的,具有分流感化。与6V6GT相比,6P3P的屏极内阻明显较低。我们需要对此作定量分析,以肯定其影响并决议应对办法。

操纵图2的线路,增加一枚电阻,便可以巧用屏极电源中包括的纹波电压,对屏极内阻停止丈量,线路以下面图8所示。

由于我们采用简单的半波整流,电源的输出包括了基频为50 Hz并带有部分低阶谐波的纹波电压。我们在屏极回路中串联一枚电阻R0(其阻值宜拔取与待测电感的铜阻相仿),然后别离丈量R0两真个交换纹波电压UR和屏极上的纹波电压UA。屏极内阻RA便可以简单地用下式求得:

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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对于50 Hz工频以及其低阶谐波而言,电子管可以以为显现纯电阻性,是以只要交换电压丈量的方式分歧,不管是均匀值还是有用值,分压比都能正确地代表阻值比。

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图8 操纵电源纹波丈量屏极内阻经过调理R3,我们便可以测得分歧屏流和响应屏压下管子的屏极内组RA。
图9和图10列出了一组实测数据。

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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图9 屏极内阻与屏极电流的关系。

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图10 屏极电压与屏极电流的关系。

从上面两图中我们可以看到,6P3P的屏极内阻,随着屏极电流的增加和屏极电压的下降而明显下降,大致在2 KΩ至20 KΩ范围。由于待测电感的数值在5 H至50 H之间,对于50 Hz交换信号的感抗在1570Ω到15.7KΩ。明显,屏极内阻与待测电感的电抗数值相当,是以在丈量电感量时,屏极内阻的影响是不成疏忽的。

从这些数据上看,屏极内阻对屏极电流的关系可以相当正确地用幂函数拟合(R2 > 0.99)。是以,一种应对方式,是在预算电感量时操纵这个函数关系停止校正。

可是,经过对电路的分析,笔者找到一个改良的方式。我们看到,半波整流发生的纹波电压,经过R2加到了帘栅极上。其基频部分,与屏极上经过限流电阻R1和待测电感Lx所获得的交换信号是同相的。由于帘栅极电压对屏极电流也有控建造用(见图4及图6),加在帘栅极上的纹波信号就会致使屏极电流的同相增减,也就是下降了屏极的等效内阻。是以,笔者决议在帘栅极上增加一个电容来旁路纹波电压。点窜后的线路图如图11所示。

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图 11 增加帘栅极滤波电容C3后的线路。
我们用与图8一样的方式来丈量屏极内阻。获得的数据图示以下。明显,滤波电容对等效屏极内阻起了明显影响,将其进步了一个数目级左右。

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图12 增加帘栅极滤波电容前后屏极等效内阻的对照。
RA和RA*别离是增加滤波电容前和增加滤波电容后的屏极等效内阻。同时,增加帘栅极滤波电容,并没有改变内阻与屏流之间的关系特征,内阻仍然可以用屏流的幂函数相当正确地拟合,是以在后续电感量计较中仍然可以用它来进一步校正。

3.3丈量范围及平安性评价

在2.4节中,我们谈到,原有线路遭到屏耗等限制,不能供给笔者所需的电流范围。是以,我们对修改后的线路情况停止实测,考查电流和屏耗。在上面停止的内阻丈量中,我们同时丈量了屏极和帘栅极的电压和电流,以及阴极电压。据此,我们可以算出屏极和帘栅极功耗与屏极电流的关系。数据以下图所示。

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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图13 屏极和帘栅极功耗随屏流变化情况。我们可以看到,屏极功耗根基随屏流增加呈线性增加。与6P3P最大屏耗20.5 W对应的屏流大约在8 5mA左右。当阴极可变电阻调至零值(栅极偏压为零)时,屏流为95 mA,根基满足设想要求。此时对应的屏耗为22 W,略有超标。帘栅极功耗不跨越1.2 W,不到6P3P最大帘栅极功耗2.75 W的一半。是以,只要避免长时候保持在最大屏流状态,全部线路可以被以为是平安的。

四、丈量实例

完成上述预备工作今后,笔者以手头的几枚铁芯电感作为实例停止了测试。

4.1 小型扼流圈#1

首先,笔者对手头的一枚网上购得的小型扼流圈#1停止了测试。该扼流圈标注为EI型19 mm芯,片厚0.35 mm,叠厚30 mm,0.19 mm线,2750匝,磁间隙0.12 mm,直流电阻240 Ω(±5%)。标称电感量20 H,工作电流100 mA。
实测直流电阻为180 Ω,电感量测试成果以下图所示。

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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图14 小型扼流圈#1
电感量随直流份量的变化
很明显,当电流跨越50 mA以后,铁芯起头进入磁饱和,电感量直线下降。当电流到达100 mA时,电感量仅剩8 H左右。是以,该扼流圈现实可用的电流范围唯一50 mA左右。

值得留意的是,该扼流圈用数字万用表电感档测得的电感量在12 H左右。很明显,丈量方式分歧,获得的电感量会有很大不同。这一点我们留待前面会商。

4.2 小型扼流圈#2

笔者对另一枚从同一网店购得的小型扼流圈#2停止了测试。该扼流圈标注为EI型22 mm芯,片厚0.35 mm,叠厚28 mm,0.19 mm线,未表白匝数,磁间隙0.12 mm,直流电阻约360Ω。标称电感量45 H,工作电流100 mA。

实测直流电阻为367Ω,电感量测试成果以下图所示。

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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图15 小型扼流圈#2电感量随直流份量的变化。与上面的例子类似,现实可用电流大约60 mA,分开标称的100mA也有相当差异。

成心机的是,这两枚扼流圈的电感量随直流电流变化的趋向,都可以用4阶多项式几近完善拟合。从形状上看,空载时很高的初始电感量随着直流份量的增加而快速跌落,到10 mA左右之落后入一个缓慢下降的“平台段”,一向延续到50 mA左右,然后起头再次快速下降,最初又有趋缓的趋向。全部变化显现“急-缓-急-缓”的W形趋向。

4.3 单端甲类输出变压器

接下来,笔者对手头的一枚甲类单端输出变压器停止了测试。该变压器被标志为“6.5 W胆机输出变压器”。阻抗比为2500Ω:0-4Ω-8Ω-16Ω。EI型22 mm芯,0.35 mm片,叠厚32 mm,直流电阻260Ω(实测为250Ω)。标称低级最大电流85 mA。测试成果以下图所示。

图16 单端输出变压器低级电感量随直流份量的变化。很是风趣的是,曲线的根基形状与前面两个例子很是类似。电感量也可以用电流的4次多项式几近完善拟合。一样,用数字万用表测试的成果也只要11 H左右。
在示波器上可以观察到,当低级直流份量跨越50 mA后,次级波形起头发生明显畸变,高次谐波的成份明显增加。由于计较公式(2)假定了交换份量是单一频次的,高次谐波的自然会影响其正确性。笔者以为,以上几个实例中,当电流接近最大值时,电感量的下降重新趋于陡峭,能够并不是电感量变化的实在反应,而是由于高次谐波成份增加而致使的计较误差。可是既然此时的铁芯线圈已经不再可以被看成线性器件,会商其正确电感量意义不大了。
五、误差分析与校正
本文中提出的丈量方式,有一个根基的假定,就是输入交换信号只含单一频次(假定为工频50 Hz)。可是,现实上市电供电线路上有各类范例的非线性负载,以及其他干扰。是以我们用到的交换信号,在基频之外还含有其他频次成份。图17显现了笔者在丈量某台输出变压器时,低级和次级的信号波形。

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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图17   单端输出变压器低级和次级的信号波形
很明显,除了50 Hz工频之外,信号中还有很多高频成份。这些高频成份不成避免地会影响到丈量的正确度。由于电感的感抗随频次增大而增高,在不异交换电流下,发生的压降也一样增高。是以,我们用公式(2)预算的电感量就会偏大。

笔者恰好获得一枚经过电桥丈量的单端输出变压器,因而决议用它对测试误差停止定量分析。
下图是该输出变压器间接用本方式丈量的丈量数据。

丈量直流磁化情况下铁芯线圈电感量的方式

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图 18 间接预算的单端输出变压器#2低级电感随直流份量变化情况
笔者留意到,虽然输出变压器#2的电感量下降速度,相对上面的输出变压器#1而言,要缓慢很多。可是其变化纪律,仍然可以用4阶多项式几近完善拟合。按照拟合公式,我们看到低级电流为零时,预算的低级电感量为5.14 H。而该变压器用电桥在100 Hz测得的空载电感量为4.18 H(作为对照,用数字式万用表测得的低级空载电感量为2.42 H)。假定丈量时代,电网的供电波形没有发生明显变化(也就是假定各类频次成份的比例根基稳定),那末我们便可以用简单的比例换算,按照电桥丈量成果对数据停止校正,成果见图20。

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图 20 单端输出变压器#2校正后的低级电感量变化情况
该输出变压器被标志为“6C19输出变压器”。EI型22 mm芯,0.35 mm片,叠厚35 mm,直流电阻102Ω。标称低级最大电流90 mA,频响20 Hz-20 KHz -2 dB。低级标称阻抗为Z = 1300Ω。假如用以下公式预算低频端-3dB转折频次f0。


那末我们可以获得以下图所示的曲线。


图 21  单端输出变压器#2低
端转折频次随低级直流份量的变化

明显,即使在小电流情况下,低真个-3 dB频响也只能到达50 Hz左右,与标称的 “20 Hz-20 KHz  -2 dB”有相当差异。

对输入交换信号频次成份的依靠,决议了在大部分情况下,本方式只适适用于预算供给电感量随直流成份变化的比率。假如需要正确数值,则需要用已知电感的线圈停止校正。

六、改良空间

本次尝试初始设定的设想方针,是可以丈量笔者手头数枚标称电流在80 mA 至 100 mA之间的铁芯线圈。经过两次改良后的电路,根基到达了这个设想方针。在输入交换电压为220 V时,直流电流大约在5 mA至100 mA之间可调。

假如需要切确丈量更小电流下的电感量,只需要选用阻值更大的可变电阻R3。

现实上,只要不插上电子管,本线路也可以用来预算线圈的空载电感量,间接操纵公式(2)即可以求得(这时辰不需要斟酌电子管内阻的影响)。这样测得的数值,从可以用来与其他更正确的方式(例如电桥)获得的数值对照,作为校正带直流电感量的根据。

假如想要少许进步最大电流,可以经过适度进步帘栅极电压的方式来到达。在本线路中,只需要适当下降帘栅极降压电阻R2的数值即可实现。固然,必须斟酌到屏极和帘栅极的功耗极限。需要时,可以用适当下降输入电压的方式来保证平安性。

假如想要大幅度进步最大丈量电流,电子管能够就不再合适,而应当斟酌采用处效应管等器件。

七、总结及会商

专业条件下,针对电阻、电容和电感这三种最常用的无源器件,电感的丈量相对而言是最不轻易实现的。部分数字式万用表虽然具有电感量测试档,可是也只能丈量线圈的空载电感量。参考文献[2]提出了一种借用数字式万用表电容丈量档来丈量电感量的方式。可是明显也只能在空载情况下利用。

可是,直流磁化对铁芯线圈的电感量有明显的影响。是以,笔者试图找到一种合适在专业条件下带直流磁化丈量铁芯线圈电感量的方式。

采纳操纵电子管组成高内阻的直流电源的思绪,鉴戒文献[1]中的线路,并经过多少尝试和改良后,图11中的线路似乎可以满足大部分专业利用的情况。

但是,正如大部分有代价的科学摸索一样,一次尝试所能解答的疑问数目,能够比不上尝试成果所激发的新疑问的数目。而这正是摸索的兴趣和意义地点。

对于笔者来说,本次尝试最少引出以下几个方面的疑问。

首先,正如我们在测试实例中看到的,由本方式预算获得的空载电感量,与数字电桥在100 Hz测得的数值有20%左右的误差。而与某些数字式万用表电感档测得的数值,则有2至3倍的不同。我们晓得,数字式万用表凡是利用400 Hz左右的信号停止丈量。这些丈量值差别,在多大的水平上可以归因于丈量频次的分歧呢?能否还有其他身分在起感化?若何能找到更正确牢靠的校正方式?

其次,对于音频放大器线路中的变压器,其电感量随电流而变化的特征,会形成波形的非线性失真,从而致使终极听感上的差别。这类非线性失真的特征是什么?会引发怎样的听感差别?若何应对?这些也是很成心义的题目,值得进一步摸索。

可是不管怎样,操纵七枚牢固元件(一枚束射四极管,两枚电阻,三枚电容,一枚晶体二极管)组装成的简单线路,初步处理了直流磁化条件下铁芯线圈电感量的丈量,应当还是有其代价的。

道谢
本文得以成文,首先要感激“声响和音乐”微信公众号主笔、声响中国官方QQ群田庆松师长的美意约稿。在群内交换中,诸位群友供给了成心义的倡议、定见和激励,在此一并致以真诚感激。

参考文献:
[1] 贾萍舟,单端甲类功率放大电路中的单端输出变压器,无线电与电视,2008年第11期。
[2] 张恩杰,翟国彬,一种用数字万用表丈量电感的方式,白城师范学院学报,第48卷,2004年第4期。      
文章来自公众号: 声响和音乐
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