Классическим методом анализа параметров пассивных компонентов является использование измерителей RLC. Ключевым недостатком их использования является измерение параметров на одной конкретной частоте. При таком измерении высока вероятность попадания на нелинейный участок частотной характеристики импеданса, что приведёт к искажениям измеренных значений параметров ёмкости или индуктивности, а также активного сопротивления.
Одним из самых точных методов определения параметров пассивных компонентов является измерение их импеданса в широком диапазоне частот. Амплитудно- и фазочастотная характеристики покажут, на каком участке частот компонент имеет резистивный, индуктивный и ёмкостный характер, позволят визуально выбрать допустимую частоту для анализа и определить интересуемый параметр.
На примере индуктивного компонента рассмотрим, какую информацию о нём несёт его импеданс. Покажем математическую основу метода и приведём практический пример измерения на одном из популярных дросселей – IHLP4040DZER4R7M11.
Часть I: Теоретическая основа импедансного метода. Дроссель как физический компонент
Дроссели как физические компоненты представляют собой некоторое сопротивление, индуктивность и ёмкость. Их можно описать следующей схемой замещения, являющейся моделью с распределёнными параметрами (рис. 1).
В диапазоне частот
импеданс дросселя образует активное сопротивление или сопротивление потерь.
В данном диапазоне частот импеданс имеет резистивный характер, сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю. Частоту
можно считать минимальной частотой использования дросселя.
В диапазоне частот
импеданс дросселя образует реактивное сопротивление индуктивности:
В данном диапазоне частот в импедансе дросселя преобладает индуктивная составляющая, напряжение опережает по фазе ток на π/2 радиан.
На частотах выше
импеданс дросселя образует реактивное сопротивление паразитной ёмкости компонента
В данном диапазоне частот импеданс имеет ёмкостный характер, напряжение запаздывает по фазе относительно тока на радиан. Частоту
можно считать максимальной частотой использования дросселя.
Динамика изменения индуктивности от протекающего тока. Насыщение
Работу любого дросселя, выполненного из магнитного материала, можно описать кривой намагничивания – зависимостью индукции магнитного поля от магнитной напряжённости (рис. 2).
Достижение индукции насыщения BH означает, что энергия, передаваемая полем через площадь магнитопровода, достигла максимума, и магнитный поток Φ = L•I в точке насыщения не может стать больше. С увеличением силы тока I уменьшается индуктивность L.
где B – индукция [Тл], L – индуктивность при протекании тока [Гн], I – ток [А], S – сечение магнитопровода [М2].
На графике амплитудно-частотной характеристики импеданса насыщение будет проявляться уменьшением импеданса в индуктивной области частот, так как закон его изменения в данной области подчиняется выражению (2). При этом значения сопротивления и ёмкости неизменны. Влияние насыщения на импеданс показано на рис. 3.
Пропуская постоянный ток с некоторым шагом через дроссель, возможно найти импеданс индуктивности в каждой точке тока и, используя (2), найти зависимость индуктивности от протекающего тока L(I).
Часть II: Эксперимент.Устройство измерителя импеданса
Для измерения импеданса удобно воспользоваться осциллографом с функцией построения диаграммы Боде или специализированным инструментом, в нашем случае это векторный анализатор цепей Bode 100. Покажем экспериментальную установку на рис. 4.
Генератор качающейся частоты Uген(f, t) подключён через развязывающий трансформатор Tразв и развязывающий конденсатор Сразв к испытуемой индуктивности L последовательно с токоизмерительным резистором Ri. Трансформатор необходим для гальванической развязки генератора, конденсатор – для исключения влияния источника тока Iист на трансформатор. При выборе развязывающего конденсатора обращают внимание на его ёмкость: она должна быть такой, чтобы на минимальной частоте измерения его импеданс не превышал значений порядка сотен Ом и измеритель мог зафиксировать напряжение на дросселе и протекающий через него ток. В нашем случае это электролитический конденсатор 680 мкФ с импедансом на минимальной частоте измерения 10 Гц, равным 23 Ом.
Для анализа изменения индуктивности на дроссель подают постоянный ток от источника Iист через индуктивность Lист. Данная индуктивность должна быть много больше испытуемой для исключения влияния импеданса источника тока на эксперимент. В нашем случае Lист = 860 мкГн, что означает разницу в 180 раз:
Первый канал измерителя, CH A, подключается на контакты испытуемого дросселя, второй, CH B, на контакты токоизмерительного резистора. Отметим, что в данной схеме ток детектируется противофазно, поэтому измеренное значение фазы будет отличаться от реального на π радиан. Для получения истинного значения импеданса измерения корректируются на величину токоизмерительного резистора
Сведём параметры измерительной установки в единую таблицу (табл. 1).
Анализ параметров дросселя IHLP4040DZER4R7M11. Импеданс при отсутствии тока
Подключим дроссель, минимизируя длину всех дополнительных цепей, и выполним измерение импеданса при нулевом значении постоянной составляющей тока. Частотную характеристику импеданса покажем на рис. 5.
Проведём анализ амплитуды и фазы импеданса.
На частотах f < 100 Гц импеданс имеет резистивный характер, активное сопротивление R составляет:
На частотах f ∈ [1 кГц...3 МГц] дроссель проявляет ярко выраженный индуктивный характер: увеличение импеданса в 10 раз на декаду и сдвиг фаз между током и напряжением 90°. Частоты 1 кГц и 3 МГц можно считать минимальной и максимальной частотой использования дросселя.
Расчёт индуктивности как наиболее важного параметра выполним в двух точках: 100 и 300 кГц, используя формулу (5).
Среднее значение индуктивности равно:
Частота перехода из резистивного в индуктивный характер составляет:
Так как частотных характеристик используемого измерителя импеданса недостаточно для качественной работы на частотах выше 10 МГц, вычислить ёмкость, используя (3), в нашем случае невозможно. Выполним оценку ёмкости по резонансной частоте импеданса, используя формулу Томпсона.
Сведём результаты анализа в табл. 2.
Изменение импеданса при протекании тока в дросселе
В диапазоне токов I ∈ [0...16] A выполним измерение импеданса в дросселе и покажем, как изменяется его импеданс (рис. 6).
Вычислим индуктивность в каждой точке тока и построим кривую насыщения (рис. 7).
Максимальное относительное отклонение эксперимента от документации составило 3%, что можно объяснить разбросом параметров дросселя относительно данных документации, а также погрешностью измерений.
Заключение
Частотный анализ импеданса – эффективный метод получения комплексной информации о компоненте. Подходит не только для дросселей, но и для резисторов и конденсаторов. Частотный метод становится единственным методом анализа малых индуктивностей, величины которых не превышают сотни наногенри, где стандартные RLC-измерители дают большую погрешность. Используя данный метод, возможно проконтролировать качество приобретённых дросселей, а также сформировать полную документацию на созданный своими силами компонент.
