Современная электроника №5/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2019 Внутрисхемное измерение параметров дросселей и трансформаторов в ИИП Рис. 1. Простейший дроссель – обмотка на замкнутом ферромагнитном сердечнике 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. Современные осциллографы с прикладным ПО анализа мощности предлагают быстрые настройки и повышенный уровень воспроизводимости измерений. Уилсон Ли (Tektronix) В импульсных источниках питания (ИИП) важнуюрольиграют индуктивные компоненты, аименно дросселии транс- форматоры. Впроцессе проектирования ИИПприходится опиратьсяна техниче- ские характеристикикомпонентовиих моделидля симуляторов, однако в реаль- ных условияхпаразитные сигналы, тем- пература и другие внешние воздейству- ющие факторы могут влиять на харак- теристики индуктивных компонентов, вследствие чегоисточникпитания будет работать не так, какможнобылобыпред- положить на основе техническиххарак- теристик и моделирования. В результа- те внутрисхемные измерения дросселей и трансформаторов в рабочих условиях играют определяющуюроль в обеспече- нии надёжной работыИИП. Далее речь пойдёт об основах работы дросселей и трансформаторов, особен- но в отношении внутрисхемных изме- рений, применении осциллографов и пробников во время работы источника питания, а также об определении зна- чений индуктивности и построении кривых B-H для оценки технических характеристик. П РИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДРОССЕЛЕЙ Согласно законам Ленца и Фарадея, ток, протекающий через дроссель, и напряжение на нём связаны уравне- нием: . Отсюда следует, что индуктивность можно представить как некий коэф- фициент преобразования скорости изменения тока в напряжение проти- воположного знака. Интегрируя, пере- группировывая 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 временно ′ й области луч- ше выполнять осциллографом, осна- щённым пробником напряжения и пробником тока, а также способным выполнять интегрирование и стро- ить графики зависимостей в коорди- натах X и Y . В отличие от идеального дросселя, индуктивность реального дросселя зависит от величины тока, темпера- туры и рабочей частоты. В источни- ке питания эти параметры могут зави- сеть от режимов работы и меняться во времени. Например, индуктивность торо- идального дросселя, показанного на рисунке 1, можно приблизительно определить по формуле: , где: μ - магнитная проницаемость сердечника, N – число витков обмот- ки, r – радиус сердечника в сантиме- трах (измеренный до центральной пунктирной линии), A – площадь поперечного сечения сердечника в квадратных сантиметрах (предпола- гается малой по сравнению с радиу- сом тороида). Поскольку в формуле представлено число витков в квадрате, оно даёт мак- симальный вклад в значение индук- тивности. Магнитная проницаемость материала сердечника также играет значительную роль, однако значе- ние индуктивности зависит и от гео- метрических размеров компонента. Чтобы минимизировать размер дрос- селей, в них, как правило, использу- ют материалы, магнитная проница- емость которых значительно пре- вышает магнитную проницаемость воздуха. Таким образом, характеристики мате- риала и геометрия сердечника сильно влияют на значение индуктивности в разных рабочих условиях, а также на потери мощности в устройстве. И ЗМЕРЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ Для определения необходимых зна- чений индуктивности разработчики источников питания обычно исполь- зуют методы моделирования. После изготовления дросселя его индуктив- ность проверяют с помощью измери- теля RLC, однако большинство таких измерителей подаёт на измеряемый компонент синусоидальный сигнал в узком диапазоне частот, поэтому, хотя этот метод вполне пригоден для грубой оценки индуктивности, он плохо пред- сказывает характеристики дросселя в реальной схеме. Индуктивность дросселя зависит от протекающего через него тока и напря- жения, формы и частоты сигнала воз- буждения, которые в реальных услови- ях могут меняться со временем, поэтому важно измерять и наблюдать поведе- ние дросселя непосредственно в дина- мически изменяющейся среде источ- ника питания. Такие измерения можно выполнить, регистрируя напряжение на устройстве, как правило с помощью дифференци- ального пробника. Для измерения тока, протекающего через индуктивный ком- понент, обычно используется пробник N витков Тороид I