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野路子无损测试某高频变压器全套参数,顺手复习下电感计算(原创)

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发表于 2024-1-15 04:39:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

爱科技、爱创意、爱折腾、爱极致,我们都是技术控

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小时候对于线圈的痴迷,源自于可以电磁铁,有神奇的人造磁铁之功效;
长大后对于线圈的热爱,转变为对 Q 值的追捧,从拉弧一路到 DCDC 都需要高品质线圈支撑。

海鲜市场逛过来,遇见了称斤处理的高频变压器,大眼一看 EE28 还不错,双线并绕有多个绕组:

img1a.JPG

几十块钱一斤的价格,比猪肉略贵,约么相当于大鹅。

参数上基本随缘,只知道骨架 EE28 、初级电感 0.38mH;什么变压比、饱和电流的一概不知。
盲猜型号里 -50W 是暗示 50W 功率,因而如果猜对了也是个不错的战略储备物资,相当于可以自制 50W-DCDC。


【剁手】

说剁就剁,跟老板说先来两斤尝尝咸淡,老板爽快发货。 收到后果然沉甸甸,两斤有 31 只:

img2a.jpg

单只重量达到了 31.0g,相当于单节 18650;总计 961g,算上包装两斤不亏:

img2b.JPG

尺寸怎么说都不直观,拿上次做程控反激那款 EE10 小蓝对比下,在大黄面前就是个弟弟:
(原帖 https://www.mydigit.cn/thread-410800-1-1.html

img2c.JPG


自己剁的手,哭着也得测完。精贵的仪器不在手头,索性上野路子测个痛快。



【DC测试:直流电阻】

严格意义上,L-C 这类零件是无法由直流 DC 方式测得感量、容量这样的参数的。
然而对于实体电感,基本等效于理想电感 L 与直流电阻 Rdc 的串联:

img3a.png

变压器作为多绕组的特殊电感,若将非工作绕组均悬空,使用起来和电感无异。
因而这里首先测试各绕组的直流电阻 Rdc,供后续测试参考。

万用表一顿测,绕线线序倒是有了。可一看电阻全傻眼,都是毫欧量级,万用表根本测不准:

img3b.png

有了之前测电池均流的经验,没有仪器就拿电源凑数,直接 DC 恒流,接线端手动四线测压降:

img3c.jpg

由于不存在极化问题,直接 DC 500mA 恒流源往里怼就能测,电势测量点尽可能靠近电感接线根部。
毫伏表果然有效,轻易就有了电势结果,配合恒流 500mA,终于测得各绕组直流电阻:

img3d.png

其中 1-2、7-6、6-5 均为双线并绕,4-3 为单细线,直流电阻基本与绕线规格吻合。

比较意外细线的直流电阻居然很小,说明 4-3 匝数不多,不能像小电感那样动不动上百匝。



【AC测试:同名端】

测电感,没有交流测试就没有灵魂。而作为变压器,还要多一项 “同名端” 测试,确定各线圈的相对绕向。

变压器各绕组工作在强互感模式,线圈间相对绕向的正反,决定着磁场是叠加还是抵消。
物理上把磁场相互叠加的两组线圈的电流流入端,称作一组同名端,如下图:

img4a.png

两组线圈在图示的电流激励下,都在内部产生水平向右的磁场,两组磁场同向可叠加,
因而一组同名端如图中 * 标记所示。

测试变压器同名端,虽不至于去测磁芯极性,但仍需要通过电磁感应定律实现判定。

可以证明,变压器交流激励下,各同名端的感生信号是同相位的,而非同名端则是反相位,如下图所示:

img4b.png

假定变压器 1-3-6 端为同名端,当在 1-2 绕组施加正弦 U12 时,可以确认:
从 6-5 测得的 U65 与 U12 同相,从 4-3 测得的 U43 与 U12 反相,如图所示。

然而上述测试有个巨大的缺点:各绕组出来的都是正弦信号,需要使用多通道示波器才能判定相位正反。
为此改进下激励波形,使得相位正反一眼即可见。稍微打破正弦信号的半周期反相特性即可:

img4c.png

如上图,在每个正弦周期后加上一段零电压波形,即可避免不分正反的尴尬。
零电压后若为正向峰,则判定为同相波形;反之负向峰,则判定为反相波形。

实际就没那么多讲究了,直接上双极性方波往变压器里怼,小破示波器凑合用下:

img5a.JPG

关于双极性方波,原本想用 GPIO 直推,结果发现功率太小完全推不动。
正巧前阵子收了几套某启蒙机器人的主控单元,AVR(atmega32)主控 + 多路H桥电机驱动,
拿来推这个双极性方波简直量身定做:

img5b.jpg

实际参数没有着重优化,推的波形有较大失真+振荡。不过只要能看出大体样子,这些细节都是毛毛雨。
原副边波形对比下,U12 为激励源,U76 为某副边。第一个峰还是能看出正负的,后边放飞自我都严格同步:

img5c.jpg

从上图可以看出,U12 与 U76 属于反相关系,两次相同探针连接的为非同名端,即 1-6 脚为一组同名端。

依次测量剩余绕组的感生波形,即可获得全部同名端,标记如下便于后续参考:

img5d.png

其实测到这里,玩电源的差不多就能猜出这变压器是干啥的了:

7-6-5 绕组构成原边带抽头,可采用两只 NMOS 对称推挽实现激励;
1-2 绕组为主输出,电流大于 7-6-5 绕组,功能上实现一个降压 DCDC;
4-3 绕组为副输出,产生一个小功率的低压电源,给开关控制器供电。



【AC测试:变压比+匝数】

截止目前,尚未测得最关键的变压比参数。然而有了同名端测试的架子,测试变压比不在话下。
还是那套波形,找几个稳定的特征点,在各绕组上都测一遍,就有了变压比:

img6a.jpg

同时为了确定具体线圈匝数(方便后续计算磁路),特用纱包线绕制 2 匝作为参比绕组:

img6b.jpg

一顿测量,每组线圈的匝数都出来了,原来都这么少吗?
如果是接在 DC300V 整流后级,每匝 >10V 的电压瞅着就哈人:

img6c.png



【AC测试:电感量】

虽然变压比(匝数比)已经测出,但具体每组线圈的电感量仍未知晓。
电感量会直接决定电流变化率,进而确定合适的工作频点。未知电感量的变压器是没法用的。

测之!然手头没家伙,那就索性示波器测量 L-C 震荡吧。

一只理想电感与理想电容并联(或者串联),在数学上会有一个振荡解,频率即谐振频率:

img7a.png

当这个回路中的导线存在电阻时(例如电感的 Rdc、电容的 ESR),
上述振荡解会变成幅值逐渐减小的衰减振荡,然而振荡频率与理想状态下保持一致。

测量绕组电感,需要一只参数很好的电容作为标准,自然就想到了高压 CBB,实测 1.004uF :

img7b.JPG

软件上也需要稍微处理下,不能再像之前 V+/V-/0 这种推挽模式了,会导致 LC 无法自由振荡。
实际上调整为 ON/Hi-Z 两种状态较为合适,如图:

img7c.jpg

ON状态桥臂接通,给电感充电;Hi-Z 高组态释放桥臂,由 L-C 自由振荡。上图是未接入电容 C 的波形。

之后插入电容 C 可以明显看到 Hi-Z 时发生 L-C 自由振荡:

img7d.JPG

不同绕组波形各有千秋,主绕组衰减慢,代表着线路电阻小;副绕组衰减快,线路电阻大:

img7e.jpg

按着示波器时间轴换算下振荡频率,最后反解 L= 1/(2πf)^2 /C,获得了各绕组电感量标于图中:

img7f.png

更进一步计算,可以确认 电感量 近似正比于 匝数的平方,这符合电感绕线规律。
线圈尺寸相近的前提下,匝数每增加到 K 倍,电感量增加到 K^2 倍。

至此,有了变压器的变比和电感量,初步应用下还是轻松的。



【AC测试:饱和参数】

然而测量岂能止步于此。之前是人肉实现了电桥的活,接下来则更为暴力:测试饱和参数。

在简单的电气模型里,电感数值不随流过的电流变化,如下图左所示。
然而实际考虑到磁性材料存在 “磁饱和” 现象,磁饱和电感特性如下图右所示:

img8a.png

在磁饱和电感当中,当电流 I 上升到某个数值 Im 后,磁芯发生饱和,磁通密度无法继续增长。
直观的现象是:电流过大,电磁铁的吸力无法继续上升。此时磁通达到饱和,等效电感 L 开始迅速下降。

对于线径足够粗的电感,只要直流电阻足够小,总能施加电流到电感饱和。考虑如下电路:

img8b.png

假设 t=0 时刻开关闭合,理想电压源 E 对电感 L 开始充电,有:

eq2.gif

很显然此时 dIL/dt = E/L 为常数。对于理想电感,就如图线 (a) 所示。
对于磁饱和电感,当电流达到极限 Im 后,电感量 L 迅速下降,造成 IL-t 曲线迅速上扬,如图线 (b) 所示。

假若能实现上述电路,并且测试出类似于 (b) 的折线效果,基本就是测出了电感饱和电流。
然而理想电压源何止难找,按理说根本就不存在。故退而求其次,用带大水塘的电源替代之:

img8c.png

无论前级 B-R 多糟糕,只要大水塘 C 足够大,总能在短时间内近似维持电压恒定,并放出巨大电流。
为此还是那几个演员出厂,这次多了一片 0.1R / 5W 低感电阻:

img8d.jpg

测试效果也是符合预期,采集到 Im=4.3A 时,电流图线出现明显上扬,提示磁芯发生饱和:

img8e.jpg

这段折线除了提示饱和电流 Im 外,其前半段斜率正好对应 dI/dt= E/L.
将大水塘电压代入 E=11v,可以算得此段绕组电感约为 L57 = 360uH.
这个计算结果与之前 L-C 振荡测得电感量相吻合,互相验证了彼此的合理性。

相同磁芯、不同绕组依次达到饱和时,储存的能量 W=0.5*LI^2 是相同的,因而有:

eq3.gif

于是可根据电感量换算其他绕组的饱和电流参数,记录如下:

img8f.png

位于 3-4 之间的副输出绕组,由于线径非常细,饱和电流 >20A 并无实际意义:饱和之前就已烧断。
至此,已测得大黄变压器的主要参数。但由于路子比较野,需要额外验证下结论的有效性。



【磁芯极限参数估算】

由于已有电感、饱和电流、匝数等一众参数,因而可以估算磁芯最大磁通密度,
与常见材料极限比对,就可确认测得参数之间是否存在矛盾。

以 L57= 363.3uH,I57_max= 4.3A 计算,单匝磁通为:

eq4.gif

手工测量下磁芯截面积尺寸,大约 10mm * 7mm 的矩形截面:

img9a.jpg

线圈中部的磁芯内,近似按匀强磁场估算,其磁感应强度为:

eq5.gif

查阅 TDK 常见 Mn-Zn 铁氧体手册,确认这个 464.3mT 符合常见材料性质,测算数据有效:

img9b.png

至此,确认大黄变压器主要参数测量有效,虽然路子野,但是数字真。



【简单应用:焦耳悍匪】

这么一众计算怼天怼地的,不实地应用一下都对不起这么细致的建模参数。

别人经典的磁环单管自激称作 “焦耳小偷”,然这里巨大的磁芯已然出鞘,索性改名 “焦耳悍匪” 更贴切。

1.5V 点 LED 没啥意思,这里直接 1.5V 点 60V 氖灯,核心就一只 9013 和几个高速二极管:

img10a.JPG

红色的氖灯点亮后只有 40V 气氛不浓烈,换上蓝氖就氛围拉满了:

img10b.JPG

挂个表感受下焦耳悍匪的威压:

img10c.JPG

收摊时照惯例给高压 CBB 放电,发现啪啪啪挺好玩。焦耳悍匪先晚会拆,待我拿出 CBB 充电:

img11a.JPG

左边这只 4.7uF 2kV 被我在 1.5kV 啪啪了几次,容量掉到 3.4-3.6uF 附近。
右边这只和前文测量 L-C 振荡是同一批,但这只啪啪比较多,也就只剩 0.99x uF了。

在焦耳悍匪面前,1.5V 雷达丝毫不示弱,最后是镊子默默承受着一切。先 105 小啪:

img11b.jpg

再 475 大啪:

img11c.jpg

完美;简单应用了下新测好的大黄变压器,效果拔群。

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以上,剁手一批 EE28 大黄高频变压器。无奈手头缺趁手的家伙,索性野路子测试了全套参数。

使用测得数据推算磁芯饱和 Bm,与 TDK 的 Mn-Zn 铁氧体手册完美吻合,证实测试有效。

最后参考测得线路搭建了一只焦耳悍匪,1.5V 轻松点亮 60V 氖灯,红蓝全亮;
继续由 1.5V 配合大黄,驱使一众 CBB 完成了对镊子的天劫考验,各方面均取得了优雅的效果。

最后祝大家 DIY 测试愉快!


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发表于 2024-1-15 07:38:05 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
精华帖的节奏
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发表于 2024-1-15 07:39:42 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
同款的玩具示波器,楼主玩出花了,优秀。
之前在修车店搞了各种故障电瓶车充电器,里面高频变压器玩不来,也想测匝数什么的,最后弃坑
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发表于 2024-1-15 07:42:20 | 显示全部楼层
好帖,学习了!
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发表于 2024-1-15 08:17:21 | 显示全部楼层
楼主一个高频变压器,玩出来这么多花样厉害
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发表于 2024-1-15 08:53:59 | 显示全部楼层
楼主理论扎实,动手能力强,这些从高中一直到大学都学,工作几年都忘了
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发表于 2024-1-15 08:54:59 | 显示全部楼层
有知识有文化的热心人啊
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发表于 2024-1-15 09:49:40 | 显示全部楼层
买那么多高频变压器,怎么用得完
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发表于 2024-1-15 10:08:03 | 显示全部楼层
没有专业的工具,做了专业的事。
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发表于 2024-1-15 11:58:00 | 显示全部楼层
厉害。这电容放电是怎么拍的呢
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发表于 2024-1-15 12:19:48 | 显示全部楼层
从理论到实践,谢谢楼主的科普!
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发表于 2024-1-15 13:58:01 | 显示全部楼层
论坛出人才啊
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发表于 2024-1-15 14:35:11 | 显示全部楼层
这个太专业了,牛!
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发表于 2024-1-15 14:49:30 | 显示全部楼层
高频变压器,看成了高压变频器,后面这个更厉害
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发表于 2024-1-15 14:58:49 | 显示全部楼层
思路真精巧
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 楼主| 发表于 2024-1-15 15:17:48 | 显示全部楼层
aacyxjz 发表于 2024-1-15 07:39
同款的玩具示波器,楼主玩出花了,优秀。
之前在修车店搞了各种故障电瓶车充电器,里面高频变压器玩不来, ...

电源+万用表,信号源+示波器,这四样凑齐基本 RLC 全解决。
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 楼主| 发表于 2024-1-15 15:18:53 | 显示全部楼层
aygcmy 发表于 2024-1-15 08:17
楼主一个高频变压器,玩出来这么多花样厉害

主要是随缘剁手,不测细致了都不知道买的是宝贝还是垃圾
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 楼主| 发表于 2024-1-15 15:19:58 | 显示全部楼层
nnsat 发表于 2024-1-15 08:53
楼主理论扎实,动手能力强,这些从高中一直到大学都学,工作几年都忘了 ...

差不多是高中竞赛的实验水平。 大学里不进物理/电磁专业的话,很难接触到这些一线的实验
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