Измерение индуктивности

[judchin 1]

Добрый день!

Есть силовой дроссель (кольцевой), измерена его индуктивность прибором МНИПИ измеритель RLC E7-20 (измеряется методом вольт-амперметра)

L=731 мкГн (от частоты зависит не сильно).

индуктивность вставлена в RL-цепь, подаётся напряжение ступенькой 25 В.

измеряется ток в цепи (падение напряжения на резисторе) осциллографом tektronix TPS2014.

1. когда переходный процесс завершается, вычисляется R=25/i (ток естественно пересчитывается).

измеряется постоянная времени, и из нее вычисляется L.

2. независимо от (1), решается дифференциальное уравнение, и в MATHCAD'e находятся R и L.

ВОПРОС: Измеренная R сходиться с расчетной, а L=1290 мкГн

аналогично операция проделывалась для другой индуктивности. прибор E7-20 показал, что L=140 мкГн, а на расчетная получается 244 мкГн

При этом замечено, что 731/1290 = 140/244 = 0,57

Что я делаю не так, и где ошибка?

[Данилов А.А. 1991]

Позвольте несколько вопросов...

индуктивность вставлена в RL-цепь, подаётся напряжение ступенькой 25 В.

Откуда напряжение? Генератор прямоугольных импульсов или источник напряжения и ключ?

измеряется ток в цепи (падение напряжения на резисторе) осциллографом tektronix TPS2014.

А слабо измерить сопротивление резистора обычным способом?

осциллографом tektronix TPS2014.

Не влияют ли входной импеданс осциллографа или ёмкость кабеля?

измеряется постоянная времени

Как интервал времени по уровню 1-1/e?

[judchin 1]

Откуда напряжение? Генератор прямоугольных импульсов или источник напряжения и ключ?

1. Напряжение подаётся от источника напряжения и ключ. пульсации напряжения в момент коммутации не наблюдается.

А слабо измерить сопротивление резистора обычным способом?

2. Была поставлена задача идентифицировать RL-цепь с учетом сопротивления проводов и ключей, паразитных индуктивностей у сопротивлений и проводов. Поэтому сопротивление уточняется.

Не влияют ли входной импеданс осциллографа или ёмкость кабеля?

3. Не могу точно ответить на этот вопрос. В цепи реально стоят два резистора: измерительный (0,34 Ом) и нагрузочный (20.2 Ом). Для разных экспериментов снималось напряжение с разных резисторов, результат одинаковый.

Как интервал времени по уровню 1-1/e?

4. Да.

[Дмитрий Борисович 1016]

Дополнительные вопросы:

- при напряжениях 5В или 100В, результат тот же?

- каково внутреннее сопротивление источника напряжения?

- каково сопротивление открытого ключа?

[Meßfehler 35]

Что-то мне подсказывает, что нужно не уточняющие вопросы задавать, а пора топикстартеру рисовать схему измерений и уже к ней давать пояснения и обозначения....

[judchin 1]

Вот схема. и скрины с осциллографа. на рисунках F0000TEK.jpg и F0001TEK.jpg напряжение снималось с измерительного сопротивления, на F0004TEK.jpg с нагрузочного. - при других напряжениях не снимал, но менял нагрузочное сопротивление на 10 Ом, результат тот же. - внутреннее сопротивление источника не измерялось, известно, что источник компенсационный с обратной связью, индуктивности на выходе нет (проверялось, путем замыкания ключа только на резистор -- на выходе ступенька). Рассчитанные во время нарастания сигнала R и L, подставил в уравнение для спада ( Uвх = 0 ), графики расчетный и экспериментальный полностью совпали. После чего сделал вывод, что источник питания влияния не оказывает. - Ключи IRFIZ24 RDS(on) = 0.071Ω

[Данилов А.А. 1991]

Чему равно активное сопротивление дросселя?

[judchin 1]

Чему равно активное сопротивление дросселя?

измерил прибором E7-20 комплексное сопротивление и угол сдвига фаз, посчитал X и R:

результат в файле

реактивное сопротивление.txt

[Данилов А.А. 1991]

результат в файле

Не понял: почему R изменяется с изменением частоты.

Вас это не смущает? Быть может, RL-модель неверна? Нужно в неё чего-то добавить... Какую-нибудь межвитковую ёмкость, ёмкость монтажа и пр. Каковы размеры дросселя? Не влияют ли распределённые параметры, а Вы их принимаете точечными.

[Дмитрий Борисович 1016]

Активное сопротивление дросселя здесь ни причем. Эксперимент проводился и на дросселе L=731 мкГн и

на дросселе L=140 мкГн. Различие более чем в 5 раз! А соотношение (731/1290 = 140/244 = 0,57) одно и тоже.

У Вас транзистор VT1 не окрыт полностью, так как управляющее напряжение 12В, а коммутируете 25В.

Это приводит к тому что сопротивление канала не RDS(on) = 0.071Ω ( как приведено в pdf.). а около 0,188Ом.

Посмотрите осциллограму прямо на транзисторе.

Вам нужно:

- или увеличить напряжение управления до 25В

- или применить транзистор с Р-каналом

- или использовать схему как показана на рис.12 файла pdf.

Кроме того, обратите внимание на подсоединительные провода. Пересчет тока по осциллограммам в точке курсора (62мкс)

показывает что на резисторе 0,33Ом ток равен 0,81А. А на резисторе 20Ом - 0,78А. Хотя это ошибка в 4% возможно

вызвана точностью резисторов.

[judchin 1]

Кроме того, обратите внимание на подсоединительные провода. Пересчет тока по осциллограммам в точке курсора (62мкс)

показывает что на резисторе 0,33Ом ток равен 0,81А. А на резисторе 20Ом - 0,78А. Хотя это ошибка в 4% возможно

вызвана точностью резисторов.

У измерительного сопротивления номинальное значение 0,33 Ом, реальное 0,35 Ом

У Вас транзистор VT1 не окрыт полностью, так как управляющее напряжение 12В, а коммутируете 25В.

Это приводит к тому что сопротивление канала не RDS(on) = 0.071Ω ( как приведено в pdf.). а около 0,188Ом.

Посмотрите осциллограму прямо на транзисторе.

Измерил падение на VT1 (зеленый график на рисунке ). Транзистор открывается полностью, расчетное сопротивление 0,0525 Ом.

Рост активного сопротивления от частоты скорее всего вызван тем, что сердечник силовой и не высокочастотный.

[Данилов А.А. 1991]

Рост активного сопротивления от частоты скорее всего вызван тем, что сердечник силовой и не высокочастотный.

Тогда вспомните, на какой частоте Вы измеряли "активное" сопротивление для модели и сопоставьте с той частотой, на которой работаете (переходная характеристика). При этом вспомните также и то, что Е7-20 работает на sin, а Вы работаете на сигнале прямоугольной формы. Кроме того, как себя ведёт сердечник?

[judchin 1]

Тогда вспомните, на какой частоте Вы измеряли "активное" сопротивление для модели и сопоставьте с той частотой, на которой работаете (переходная характеристика). При этом вспомните также и то, что Е7-20 работает на sin, а Вы работаете на сигнале прямоугольной формы. Кроме того, как себя ведёт сердечник?

А какая частота у единичной ступенчатой функции?

В дальнейшем эта индуктивность будет стоять в экспериментальном импульсном понижающем преобразователе с широтно-импульсной модуляцией. рабочая частота 14 кГц. изначально активное сопротивление измерил для этой частоты, но, в том то и проблема, что сигнал прямоугольной формы, и как свести это все с моделью я не представляю.

[Данилов А.А. 1991]

А какая частота у единичной ступенчатой функции?

Бесконечный спектр.

В дальнейшем эта индуктивность будет стоять в экспериментальном импульсном понижающем преобразователе с широтно-импульсной модуляцией.

Тогда не понимаю цель исследований.

изначально активное сопротивление измерил для этой частоты, но, в том то и проблема, что сигнал прямоугольной формы, и как свести это все с моделью я не представляю.

Измерения проще было провести на гармоническом сигнале для делителя из дросселя и резистора путём измерений коэффициента преобразования такого делителя (или угла сдвига фаз между входом и выходом).

Поскольку речь идёт о ШИМ-преобразователе, т.е. изменяться будет длительность импульса при постоянной частоте, мне не понятна цель исследований

[judchin 1]

...мне не понятна цель исследований

Есть экспериментальный импульсный преобразователь, есть его математическая модель. В реальной схеме кроме заранее измеренных компонентов (R, L, C) есть еще масса паразитных параметров. 

Цель была идентифицировать все паразитные параметры, для повышения сходимости модели с экспериментом. Ожидаемый результат был в пределах 10% расхождения с измеренными параметрами. 

После проведения эксперимента с RL-цепью и получения результата, цель исследования стала разобраться почему так. 

На данный момент считаю, что проблема кроется в неидиальном сердечнике, т.к. после последнего опыта (см. рисунок) индуктивность стала замено меньше (наблюдается зависимость от тока). Хотя все равно не понятно: насыщения индуктивности нет, гистерезис материала сравнительно не большой.

Параметры опыта: Uвх = 10 В. R=20 Ом.

Сердечники на основе распылённого железа (iron powder cores).

[Данилов А.А. 1991]

Поскольку индуктивность, скорее всего, установлена в выходном фильтре низких частот (ФНЧ), то какова цель исследований модели? Учебная? Научная? Для практики?

На практике в НПО "Система" (г. Львов) ещё в 1990 году при создании 22-х разрядного ЦАП (вошедшего в состав исходной образцовой установки) применяли активные ФНЧ пятого порядка, но даже с ними размах пульсаций выходного напряжения (1 мВ) на частоте модуляции был существенно выше единицы младшего разряда (2,5 мкВ).

Почему Вы выбрали частоту модуляции в области звуковых частот (14 кГц), а не выше?

[scbist 1853]

Добрый вечер, уважаемые коллеги. Зашел на форум первый раз, попытался осмыслить все препетии разговора, но, видимо, погорячился. Поэтому изложу свои мысли, как смогу.

1. Сопротивление измерялось в установившемся режиме, и я бы сильно удивился, если бы оно не совпало с номиналом.

2. Индуктивность измерялась в переходном процессе, и я бы опять удивился, если бы она совпала с номиналом. Слишком много неучтенных факторов, влияющих на длительность переходного процесса.

3. Определяющую или одну из главных ролей может играть источник питания. Я сталкивался с тем, что когда заменяли простейший источник в виде ЛАТРа с мостом и т.д. на навороченный электронный, именно на включение питания, разность результатов измерений была недопустимой. При работе на выключение играет роль уже идеальность ключа, а не источника. Это Ваш опыт, похоже, и подтвердил.

4. Может быть стоит попробовать пресчитать, по известной катушке, параметры остальной цепи, построить эквивалентную схему, и учитывать ее параметры при определении параметров неизвестных элементов.

[Meßfehler 35]

 

Изменено 9 Мая 2010 пользователем Meßfehler

[Некролог 139]

Не понял: почему R изменяется с изменением частоты. Вас это не смущает? Быть может, RL-модель неверна? Нужно в неё чего-то добавить... Какую-нибудь межвитковую ёмкость, ёмкость монтажа и пр. Каковы размеры дросселя? Не влияют ли распределённые параметры, а Вы их принимаете точечными.

Всё верно, у любой катушки активное сопротивление и индуктивность зависят от частоты (первое с ростом частоты растёт, причём для многослойных - резко, начиная с некоторой частоты, вторая монотонно падает, если не учитывать паразитных ёмкостей). Просто на сравнительно низких частотах (обычно до порядка 1 кГц) это не заметно. Зависимости могут быть причудливыми, функция Лапласа - она такая... Причины - в основном вихревые токи, в основном в обмотке.

Кстати, это напрямую касается мер индуктивности. Зачастую поверители считают, что индуктивность класса 0,05, поверенная на 1 кГц, останется той же и на, скажем, 50 Гц. Ан нет, отклонение нередко многократно выше, чем класс.

У Вас транзистор VT1 не окрыт полностью, так как управляющее напряжение 12В, а коммутируете 25В.

Это приводит к тому что сопротивление канала не RDS(on) = 0.071Ω ( как приведено в pdf.). а около 0,188Ом.

Посмотрите осциллограму прямо на транзисторе.

У транзистора оптимальное напряжение управления затвор-исток не имеет столь прямой связи с комутируемым напряжением сток-исток. 12 В хватит, а разница Rds.on не принципиальна на фоне 20 Ом.

Что я делаю не так, и где ошибка?

При насыщении сердечника индуктивность катушки падает, да, но при росте напряжённости (можно сказать, тока) от нуля до некоторого значения проницаемость сердечника растёт от т.н. начальной магнитной проницаемости до максимальной, и только потом падает. Измеритель иммитанса типа Е7-ххх даёт совсем небольшой тестовый ток, тогда как в Вашей схеме уровень возбуждения велик и индуктивность соответственно больше.

Картинка в тему (из "Micrometals - Сердечники из распылённого железа в импульсных источниках питания. Джим Кокс, перевод Терейковский А.С."):

[Данилов А.А. 1991]

Всё верно, у любой катушки активное сопротивление и индуктивность зависят от частоты

Позвольте не согласиться.

Если для катушки принята модель в виде сопротивления и индуктивности, то они не меняются при изменении частоты. Меняется лишь реактивное сопротивление.

В противном случае надо менять модель.

Что же касается исходной задачи - применения индуктивности для фильтрации выходного ШИМ сигнала (в составе ФНЧ), то не всё ли равно: какое она имеет значение.

[Некролог 139]

Поскольку индуктивность, скорее всего, установлена в выходном фильтре низких частот (ФНЧ), то какова цель исследований модели? Учебная? Научная? Для практики?

Для практики, конечно. Например, PWM преобразователи на матплатах компьютеров преобразовывают 12 В питания в напряжение питания ядер процессоров порядка 1,3 В при токе под 100 А. Делают они это, преобразуя 12 В в импульсы с заданным коэффициентом заполнения и фильтруя похожими катушками и конденсаторами.

Позвольте не согласиться.

Если для катушки принята модель в виде сопротивления и индуктивности, то они не меняются при изменении частоты. Меняется лишь реактивное сопротивление.

В противном случае надо менять модель.

Что же касается исходной задачи - применения индуктивности для фильтрации выходного ШИМ сигнала (в составе ФНЧ), то не всё ли равно: какое она имеет значение.

Не позволю. Я говорил не про модель, а про реальные катушки. Кстати, модель вполне соответствует задействованному в эксперименте диапазону частот - до десятков кГц сопротивление катушки почти не меняется (по сравнению с 20 Ом). И, вообще-то, никто не мешает для каждой частоты подставить свою индуктивность и своё сопротивление, и получим вполне адекватную модель катушки в малосигнальном режиме. Поскольку индуктивность катушки в диапазоне частот почти не меняется, а сопротивление резко растёт с ростом частоты (что означает, что чем выше частота, тем ниже постоянная времени), то при этом мы обнаружим ещё бОльшее расхождение "малосигнального" (измерителем иммитанса) и сильносигнального (в реальном ШИМ) поведения катушки в ответ на импульсное воздействие.

Про исходную задачу - индуктивность там имеет очень заметное значение, причём со многих сторон: нагрев остальных деталей, управление, электромагнитная совместимость, выходной импеданс в диапазоне частот... ШИМ регуляторы на материнских платах ПК как пример: плохое их качество легко приводит к неустойчивой работе и глюкам машины.

[Дмитрий Борисович 1016]

Позвольте последнюю просьбу!

Приведите осциллограмму напряжения на транзисторе VT1 при последнем эксперименте - 10В, 20Ом.

[Данилов А.А. 1991]

Не позволю. Я говорил не про модель, а про реальные катушки.

Вы хотите сказать, сопротивление провода изменится, если его смотать в виде катушки?

С какой стати? Как провод не сматывай, его сопротивление равно удельному сопротивлению, умноженному на длину провода, делённому на площадь поперечного сечения.

Я говорю про сопротивление, а не про комплексное сопротивление.

Что же касается исходной задачи - применение индуктивности для фильтрации ШИМ-сигнала, то для её решения точное значение индуктивности знать не обязательно

[Некролог 139]

Позвольте последнюю просьбу!

Приведите осциллограмму напряжения на транзисторе VT1 при последнем эксперименте - 10В, 20Ом.

Странная последняя просьба...

Вы хотите сказать, сопротивление провода изменится, если его смотать в виде катушки?

С какой стати? Как провод не сматывай, его сопротивление равно удельному сопротивлению, умноженному на длину провода, делённому на площадь поперечного сечения.

Я говорю про сопротивление, а не про комплексное сопротивление.

Что же касается исходной задачи - применение индуктивности для фильтрации ШИМ-сигнала, то для её решения точное значение индуктивности знать не обязательно

1. Сопротивление провода (АКТИВНОЕ - я, вообще-то, электротехнику ещё помню :YES!: ) действительно меняется с ростом частоты. Как и индуктивность катушек, правда, в меньшей мере. Даже если катушки (как пример - меры индуктивности) без ферромагнитного сердечника.

Вот Вам, если мне не верите , цитата (Русин Ю.С., Чепарухин А.М. Проектирование индуктивных элементов приборов. 1981, с.78): "Рост активного сопротивления обмотки при увеличении частоты объясняется эффектом вытеснения тока в периферийные области сечения проводника, из которого выполнена обмотка. В обмотках, представляющих тела цилиндрической формы, вытеснение тока в проводниках является следствием трёх эффектов: эффекта близости, поверхностного и катушечного эффектов. Первый из них обусловлен влиянием магнитного поля проводников, соседних с рассматриваемым, второй - вытеснением тока к поверхности проводника под действием собственного магнитного поля и, наконец, третий - кривизной обмотки в азимутальном направлении." И это ещё не всё, там ещё эффекты приведены и формул на 7 страниц.

2. Просто поверьте - даже 20-30% может играть роль, пусть и не принципиальную. Спросите у автора темы, в конце концов - он, надо полагать, в курсе.

[Данилов А.А. 1991]

Рост активного сопротивления обмотки при увеличении частоты

Здесь речь идёт о том, что в модель кроме активного сопротивления требуется ввести некоторые дополнительные элементы, с помощью которых можно было бы объяснить этот эффект.

Когда мы говорим про активное сопротивление, то имеем ввиду сопротивление постоянному току.

Даже если оно и изменяется, то не в сотню раз (как у автора темы при изменении частоты от 50 Гц до всего лишь 100 кГц)