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数字示波器和宽带功率放大器构成的磁化曲线 BH 分析仪
  • 发布日期:2020-04-13 浏览次数:1363
    •   1 软磁材料的测量

        磁性元件变压器和电感在开关电源和其他的电子设备里面大量使用。磁性元件主要由采用软磁材料的磁芯和线圈构成。软磁材料的性能决定了变压器和电感的性能。目前常用的电 桥只能测量在小信号下的磁性元件的性能:电感量和 Q 值,不能直接反映磁性元件所用的 磁性材料的真实性能。

        目前能够测试磁性材料的全面参数的仪器只有磁化曲线BH 分析仪。

        BH 分析仪可以测试软磁材料在磁化过程中磁感强度B 与磁场强度H 之间关系的一系列BH 曲线。通过分析这些曲线,可以得到磁性材料在不同的激励频率下的磁参数Bm,Hm,Br,Hc, 初始磁导率 ,磁芯损耗Pc,如下图

      数字示波器和宽带功率放大器构成的磁化曲线BH分析仪.png

        图 1 BH 曲线

        BH 分析仪是一种昂贵的精密仪器,价格高达数十万元人民币。一般的企业、大学和研 究机构很少拥有BH 分析仪。仪器的缺乏使得这些单位对磁性元件的研究和教学工作停留在 书本上的知识,或者用电桥进行简单的测试。

        因此本文介绍的一种低成本的BH 分析仪具有很大的实用价值。

        2 数字示波器和宽带功率放大器构成的磁化曲线 BH 分析仪

        BH 分析仪是由激励信号源,宽带功率功率放大器,被测磁性元件的电压和电流信号处 理电路,对应的 AD 采样和软件处理模块构成。

        由于目前数字示波器的功能和价格已经非常*,我们不但可以利用它来实现AD 采样, 而且也可以使用数字示波器内部带有的信号源作为激励信号源。这样构成一套 BH 分析仪变得很简单,只有外加一台宽带功率放大器,被测磁性元件的电压和电流信号处理电路和软件处理用PC 即可。如图2 所示的框图

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        图 2 BH 分析仪框图

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       图3 BH 分析仪实物构成图

        图 3 是实物图中,两通道数字示波器我们选择了美国是德(KEYSIGHT)公司的 DSOX1102G,这是一款入门级的示波器,面板上还有一个输出口可以产生20M 的正弦波信号,正好作为激励信号源。

        由于BH 分析仪测试磁化曲线时,磁性元件需要用高频大电流进行激励才能达到真实的工作条件,所以对宽带功率放大器的功率带宽和输出电压电流能力要求很高。宽带功率放大器我们选择了知用(CYBERTEK)公司的PA3018 功率放大器。它的*输出能力是260VA,功率带宽高达1M,非常适合用来推动磁性元件的测试。

        被测的磁性元件一般做成一个环形磁芯试样。在磁芯上我们绕两组线圈,分别是原边和付边。两个线圈连接到测试工装的4 个接线柱上。被测磁性元件的原边电流 I 和付边电压信号U 使用差分放大后输出到两通道数字示波器。

        参考示波器厂家提供的编程手册,编写程序通过 USB 接口从示波器读取波形数据。然后根据数学公式,输入被测磁环的物理参数,转换成BH 曲线。

        工作的时候,只要调整信号源的频率和幅值,就可以控制曲线的B 和H 的*值,并进一步计算磁环的损耗等指标。

        3 BH 曲线的计算公式

        我们设被测磁环的原边匝数 N1,电流 i1,付边匝数N2,电流i2

        那么H= N1*i1*/L,其中 N1 是输入线圈的匝数;i1 是输入线圈的电流,单位是 A;L 是被测磁环的平均磁路长度,单位是 m;H 的单位是A/m。

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        其中 S 是被测磁环的截面积,单位是m2;N2 是输出线圈的匝数;U2 是输出线圈两端的电压,单位是V;B 的单位是T。

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        Bm是*磁通密度,单位是T;Hm 是*磁场强度,单位是 A/m。

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        其中μ0是真空磁导率, μ0= 4πx10-7 亨利/米。μa 是初始磁导率。

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        其中Pc是磁芯损耗,单位是W。

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        其中 是i1RMS的i1有效值, U2RMS是U2的有效值,VA 是视在功率,单位是 VA

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        其中θ是相位角,单位是度。

        4 测试结果

        为了验证本设计的测试精度,我们采用相同的试样和测试条件,对比本设计和日本IWATSU SY-8232 型BH 分析仪的测试结果。

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        5 方案的优缺点:

        (1)性价比很高,也能够达到一定测试精度。

        (2)示波器采样数据是8 位的。在没有标定的前提下,*终数据的误差大约是5%以内,对于一般的应用应该足够了。

        (3)受限于硬件条件,相位精度不够高。当频率比较高的时候(比如超过200KHz),或者磁环的相位角θ接近 90 度的时候,用这种方法计算的损耗误差相对比较大。

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