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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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：



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：



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：



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 ）




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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：





【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：



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 ：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



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：



手工测量下磁芯截面积尺寸，大约 10mm * 7mm 的矩形截面：



线圈中部的磁芯内，近似按匀强磁场估算，其磁感应强度为：



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：



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：



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：



挂个表感受下焦耳悍匪的威压：



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：



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：



再 475 大啪：



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！

aacyxjz

精华帖的节奏

aacyxjz

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

msz09861

好帖，学习了！

aygcmy

楼主一个高频变压器，玩出来这么多花样厉害

nnsat

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

zzqqzzz

有知识有文化的热心人啊

liuhaob

好专业啊

川江号子

买那么多高频变压器，怎么用得完

jf201006

没有专业的工具，做了专业的事。

worldlyguest

牛，真牛！

xixia001

厉害。这电容放电是怎么拍的呢

wlhcq

从理论到实践，谢谢楼主的科普！

Y道长

论坛出人才啊

kkdkj

这个太专业了，牛！

imdx

高频变压器，看成了高压变频器，后面这个更厉害

lingyer1

思路真精巧

t3486784401

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。

t3486784401

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

t3486784401

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