問:電流源的輸出阻抗測(cè)試方法
請(qǐng)問各位高手:一個(gè)電流源,如何測(cè)試出它的輸出阻抗?最近一個(gè)LCR電橋外加一個(gè)直流源來測(cè)試電感元件的直流疊加特性,可是這兩個(gè)儀器的阻抗不配,LCR為50歐,直流源為30歐,如何修改成它們配合狀態(tài)?
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@lfp136
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首先我認(rèn)為你的問題有點(diǎn)問題,為什么這樣說呢?
一:無論電壓源還是電流源他的輸出阻抗不是一個(gè)固定值,是隨著輸出負(fù)載的變化而變化,如果固定負(fù)載后,輸出阻抗久等于顯示的電壓/電流.
二:既然電流源的祖康隨著負(fù)載的變化而變化怎么能讓他和LCR電橋不能配合呢?
我想問的是你所說的直流源為30歐,是如何測(cè)量的?一個(gè)恒流源他沒有負(fù)載怎么你就知道直流源為30歐?他不是固定值!
歡迎繼續(xù)討論!我也是剛工作!呵呵
一:無論電壓源還是電流源他的輸出阻抗不是一個(gè)固定值,是隨著輸出負(fù)載的變化而變化,如果固定負(fù)載后,輸出阻抗久等于顯示的電壓/電流.
二:既然電流源的祖康隨著負(fù)載的變化而變化怎么能讓他和LCR電橋不能配合呢?
我想問的是你所說的直流源為30歐,是如何測(cè)量的?一個(gè)恒流源他沒有負(fù)載怎么你就知道直流源為30歐?他不是固定值!
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1.先講下電壓源:設(shè)電壓源開路電壓為U,內(nèi)阻為r,接上阻值為R1的負(fù)載時(shí)端電壓為U1,流過R1的電流為I1則有I1=U/(R1+r),U1=I1R1;同理接上阻值為R2的負(fù)載時(shí)端電壓為U2,流過R2的電流為I2則有I2=U/(R2+r),U2=I2R2,通過計(jì)算可得出:r=(U2-U1)/(I1-I2).從這個(gè)公式可以看出,電壓源的內(nèi)阻它反應(yīng)了一種對(duì)不同的輸出電流端電壓的保持能力,理想的電壓源內(nèi)阻為零而且不能短路,U=U1=U2.
2.關(guān)于電流源:設(shè)電流源短路電流為I,內(nèi)阻為r,接上阻值為R1的負(fù)載時(shí)端電壓為U1,流過R1的電流為I1,流過內(nèi)阻的電流為Ir1則有I=Ir1+I1,U1=r*Ir1=R1*I1同理接上阻值為R2的負(fù)載時(shí)端電壓為U2,流過R2的電流為I2,流過內(nèi)阻的電流為Ir2則有I=Ir2+I2,U2=r*Ir2=R2*I2通過計(jì)算可得出r=(U2-U1)/(I1-I2).可以看出這個(gè)公式和電壓源的內(nèi)阻公式一樣,不過它反應(yīng)的是一種對(duì)不同的輸出電壓端電流的保持能力,理想的電流源內(nèi)阻為無限大,而且不能開路I=I1=I2.
3.區(qū)別與聯(lián)系:電壓源的內(nèi)阻和負(fù)載是串聯(lián)的,越小越好,電壓源的內(nèi)阻和負(fù)載是并聯(lián)的,越大越好;理想的電壓源不能短路否則輸出電流會(huì)無限大,理想的電流源不能開路路否則輸出電壓會(huì)無限大.
4.理解了它們的基本原理,至于怎樣測(cè)量它們的內(nèi)阻我想我就不用講了.
2.關(guān)于電流源:設(shè)電流源短路電流為I,內(nèi)阻為r,接上阻值為R1的負(fù)載時(shí)端電壓為U1,流過R1的電流為I1,流過內(nèi)阻的電流為Ir1則有I=Ir1+I1,U1=r*Ir1=R1*I1同理接上阻值為R2的負(fù)載時(shí)端電壓為U2,流過R2的電流為I2,流過內(nèi)阻的電流為Ir2則有I=Ir2+I2,U2=r*Ir2=R2*I2通過計(jì)算可得出r=(U2-U1)/(I1-I2).可以看出這個(gè)公式和電壓源的內(nèi)阻公式一樣,不過它反應(yīng)的是一種對(duì)不同的輸出電壓端電流的保持能力,理想的電流源內(nèi)阻為無限大,而且不能開路I=I1=I2.
3.區(qū)別與聯(lián)系:電壓源的內(nèi)阻和負(fù)載是串聯(lián)的,越小越好,電壓源的內(nèi)阻和負(fù)載是并聯(lián)的,越大越好;理想的電壓源不能短路否則輸出電流會(huì)無限大,理想的電流源不能開路路否則輸出電壓會(huì)無限大.
4.理解了它們的基本原理,至于怎樣測(cè)量它們的內(nèi)阻我想我就不用講了.
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@xzszrs
1.先講下電壓源:設(shè)電壓源開路電壓為U,內(nèi)阻為r,接上阻值為R1的負(fù)載時(shí)端電壓為U1,流過R1的電流為I1則有I1=U/(R1+r),U1=I1R1;同理接上阻值為R2的負(fù)載時(shí)端電壓為U2,流過R2的電流為I2則有I2=U/(R2+r),U2=I2R2,通過計(jì)算可得出:r=(U2-U1)/(I1-I2).從這個(gè)公式可以看出,電壓源的內(nèi)阻它反應(yīng)了一種對(duì)不同的輸出電流端電壓的保持能力,理想的電壓源內(nèi)阻為零而且不能短路,U=U1=U2.2.關(guān)于電流源:設(shè)電流源短路電流為I,內(nèi)阻為r,接上阻值為R1的負(fù)載時(shí)端電壓為U1,流過R1的電流為I1,流過內(nèi)阻的電流為Ir1則有I=Ir1+I1,U1=r*Ir1=R1*I1同理接上阻值為R2的負(fù)載時(shí)端電壓為U2,流過R2的電流為I2,流過內(nèi)阻的電流為Ir2則有I=Ir2+I2,U2=r*Ir2=R2*I2通過計(jì)算可得出r=(U2-U1)/(I1-I2).可以看出這個(gè)公式和電壓源的內(nèi)阻公式一樣,不過它反應(yīng)的是一種對(duì)不同的輸出電壓端電流的保持能力,理想的電流源內(nèi)阻為無限大,而且不能開路I=I1=I2.3.區(qū)別與聯(lián)系:電壓源的內(nèi)阻和負(fù)載是串聯(lián)的,越小越好,電壓源的內(nèi)阻和負(fù)載是并聯(lián)的,越大越好;理想的電壓源不能短路否則輸出電流會(huì)無限大,理想的電流源不能開路路否則輸出電壓會(huì)無限大.4.理解了它們的基本原理,至于怎樣測(cè)量它們的內(nèi)阻我想我就不用講了.
帶載等效原理圖:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/60/700751198721319.gif');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">

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@xzszrs
帶載等效原理圖:[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/60/700751198721319.gif');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">
老兄摟主現(xiàn)在的問題不是如何測(cè)量?jī)?nèi)阻啊
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@xzszrs
我相信樓主看了我的貼子,他的問題他就知道就解決了.
眾所周知,鐵氧體磁芯在各種電子電路,例如轉(zhuǎn)換電路以及開關(guān)調(diào)節(jié)電路中得到了非常廣泛的應(yīng)用.在很多電路中的器件通常是在有直流的狀態(tài)下工作.最典型的例子就是行輸出變壓器、平滑扼流圈以及枕校變壓器等.在有直流的狀態(tài)下工作的鐵氧體磁芯除了必須保持良好的電磁特性外,還必須具有很好的直流疊加特性.
為適應(yīng)電子技術(shù)的需要,現(xiàn)代功率鐵氧體材料已經(jīng)得到很大的發(fā)展.一般說來,功率鐵氧體材料主要分為兩大類:一類用于高頻開關(guān)電源,另一類用于高清晰度彩電和顯示器.主要用于高頻開關(guān)電源的功率鐵氧體材料有兩大發(fā)展趨勢(shì),一是向超低功耗方向發(fā)展,目前這些材料已經(jīng)系列化,典型代表如日本TDK公司的PC40、PC44、PC45、PC46、PC47.其中,PC45和PC46這兩種材料主要是針對(duì)特殊電路的需要而開發(fā)的超低功耗MnZn鐵氧體材料(功耗最低點(diǎn)溫度有所差異);而PC40、PC44、PC47功耗差別很大,在f=100kHz,Bm=200mT,T=100℃條件下,三者功耗分別為410mW/cm3、300mW/cm3和200mW/cm3.二是向高頻化方向發(fā)展,如日本TDK公司PC50材料可用至1MHz,荷蘭Philips公司的3F4材料可用至3MHz(這種材料適用于諧振式電源變壓器).當(dāng)f>3MHz時(shí),則通常采用NiZn材料,如Philips公司的4F1材料,可使用至10MHz.作者以前曾對(duì)世界各著名鐵氧體公司的超低功耗以及高頻低功耗功率鐵氧體材料作過詳細(xì)介紹[1],在此不再重復(fù).
高清晰度彩電以及高分辨率顯示器用功率鐵氧體材料的優(yōu)點(diǎn)是:(1)飽和磁通密度高(Bs≥500mT);(2)寬頻低功耗,對(duì)于這類材料目前使用頻率一般不超過100kHz,但要求16kHz~100kHz范圍內(nèi)功耗都比較低;(3)直流疊加特性優(yōu)良,這是這類材料最突出的優(yōu)點(diǎn),以日本TDK公司的HV22、HV38、HV40、HV45為典型代表,但在日本TDK公司1999年產(chǎn)品目錄上只保留兩種材料即HV22和HV45[2].目前,國內(nèi)已有少數(shù)幾個(gè)工廠能夠批量生產(chǎn)相當(dāng)于TDK HV22、HV38的產(chǎn)品,而對(duì)于HV40、HV45的產(chǎn)品,國內(nèi)還沒有哪個(gè)廠家能夠穩(wěn)定生產(chǎn).因此,必須盡快研制開發(fā),這是國內(nèi)軟磁行業(yè)所面臨的迫切任務(wù).
2 直流疊加特性描述
描述軟磁材料動(dòng)態(tài)特性的參量很多,如復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率、品質(zhì)因數(shù)、損耗特性、減落等[3].對(duì)于工作在直流偏磁化場(chǎng)的狀態(tài)而言,直流疊加特性也是軟磁材料的重要性能參數(shù),也是軟磁材料的動(dòng)態(tài)特性之一.交直流磁場(chǎng)的疊加一般分為兩種方式,一種是交流場(chǎng)與直流偏磁化場(chǎng)垂直,另一種是交流場(chǎng)與偏磁化場(chǎng)平行.實(shí)際上,使用較多的是平行疊加方式.
軟磁鐵氧體材料的性能往往會(huì)由于疊加直流磁化場(chǎng)而發(fā)生顯著的變化,最明顯的就是磁導(dǎo)率的變化.在有偏磁場(chǎng)存在的情況下,材料的磁導(dǎo)率稱為“可逆磁導(dǎo)率μrev”,V.W.kampcgyk等人對(duì)MnZn鐵氧體的研究結(jié)果表明,可逆磁導(dǎo)率并非單純只與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān),而且還與其磁化歷史有關(guān).當(dāng)直流磁場(chǎng)H-沿磁滯回線變化時(shí),可逆磁導(dǎo)率呈典型的蝶形曲線[4],如圖1所示.
實(shí)踐證明,磁導(dǎo)率隨直流偏磁化場(chǎng)的增大而降低,下降的陡峭程度取決于磁滯回線的形狀,也就是說完全取決于材料的成分、制造工藝以及磁芯之間的氣隙大小.通常在開關(guān)調(diào)節(jié)電路中,希望由于出現(xiàn)不可避免的直流偏磁化場(chǎng)而使磁導(dǎo)率下降的幅度變小;而在磁控可變電感器中,則希望改變直流偏磁場(chǎng)時(shí),能使磁導(dǎo)率靈敏地變化.
S.Wada等[5]曾經(jīng)研究了直流疊加對(duì)電工鐵(硅鋼片)功耗、磁致伸縮及噪音的影響.指出,當(dāng)磁通密度較低時(shí),功耗將隨著直流磁場(chǎng)的增大而增大;而當(dāng)磁通密度較高時(shí),功耗幾乎不隨直流磁場(chǎng)而變.其解釋是:在低磁通密度條件下,硅鋼片渦流損耗可近似表達(dá)為
Pe=1/2π3/2f3/2B2σ1/2μ-1/2a
式中,σ為電導(dǎo)率;μ為磁導(dǎo)率;a為硅鋼片厚度;f為頻率;B為磁通密度.由于鐵芯的磁導(dǎo)率將隨著直流場(chǎng)的增大而下降,由上式不難看出,Pe將上升.但在較高的磁通密度條件下,鐵芯內(nèi)部的磁通密度的變化將與薄片表面的相同,此時(shí)渦流損耗將與磁導(dǎo)率無關(guān).
另一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是:由于直流疊加,電工鐵在交流磁場(chǎng)下的磁致伸縮出現(xiàn)不對(duì)稱,從而使噪聲變大.圖2顯示了不同直流偏磁場(chǎng)條件下,鐵芯的噪音隨電壓的變化.圖3則是磁致伸縮蝶形曲線隨直流偏磁場(chǎng)的變化.
M.Murasato等提出用在直流偏磁場(chǎng)磁化場(chǎng)狀態(tài)下工作的磁芯溫升來評(píng)價(jià)鐵氧體磁芯的性能,這樣更接近于磁芯的真實(shí)工作狀態(tài).圖4a為通常情況下,測(cè)量磁芯功耗時(shí)的電壓、電流波形;圖4b為疊加直流后的鋸齒波形,這是磁芯的實(shí)際使用狀態(tài)[6].
Murasato的研究結(jié)果是:隨著直流偏磁場(chǎng)的增強(qiáng),磁芯的溫升幾乎呈線性上升,如圖5.對(duì)于在通常情況下測(cè)量的功耗最低的磁芯,在疊加直流后,其溫升卻不是最低,如圖6.
3 直流疊加特性測(cè)量原理
為簡(jiǎn)化測(cè)量裝置,在測(cè)試磁芯電感直流疊加特性時(shí),可采用圖7a所示的測(cè)量原理.這一原理比較簡(jiǎn)單,但嚴(yán)格說來,測(cè)量線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)將會(huì)在偏磁化線圈中感應(yīng)出交變電壓,而一般情況下,偏磁化線圈匝數(shù)要大大高于測(cè)量線圈,因此,感應(yīng)出的交變電壓還是挺高的,好在直流磁化源內(nèi)阻可以看成是非常大,感應(yīng)電流可以忽略不計(jì).
嚴(yán)格的測(cè)量,特別是直流偏磁場(chǎng)下功耗的測(cè)量應(yīng)采用圖7b所示的測(cè)量原理.磁芯1和磁芯2由同種材料制成且尺寸相同,這兩個(gè)磁芯上的偏磁化線圈繞制方向相反,即串聯(lián)反接,這樣在這兩線圈中的感生電動(dòng)勢(shì)方向相反而自動(dòng)抵消.在該測(cè)量方法中,功耗儀顯示功耗為兩磁芯功耗之和.
如果僅僅需要了解磁芯電感的直流疊加特性,可以采用圖7c所示的更簡(jiǎn)化的測(cè)量原理圖.
在測(cè)量不同直流偏磁場(chǎng)下的磁芯可逆磁導(dǎo)率以及功耗時(shí),為防止直流線圈長時(shí)間通電過熱,每測(cè)完一點(diǎn)必須切斷電源,同時(shí)為消除磁滯(圖1)引起的μrev差異,必須通過測(cè)量線圈加入交變磁場(chǎng),并逐漸減小到0(消磁).本研究中,測(cè)試磁環(huán)電感直流疊加特性時(shí),采用圖7a原理,電感測(cè)量?jī)x采用HP4274A LCR表,而直流偏磁條件下功耗特性的測(cè)量則采用圖7b原理(環(huán)狀磁芯直流磁化線圈50匝,交流測(cè)量線圈20匝).
4 MnZn鐵氧體材料及磁芯直流疊加特性
4.1 磁芯電感直流疊加特性
關(guān)于帶有氣隙的鐵氧體磁芯(如U形磁芯)的電感直流疊加特性,作者以前已作過研究[7].指出,要改善磁芯的直流疊加特性,主要可通過以下兩個(gè)途徑:一是通過調(diào)節(jié)磁芯的空氣隙厚度來實(shí)現(xiàn),當(dāng)然,這必須借助于Hanna曲線來確定磁芯的最佳氣隙和繞組匝數(shù).二是通過改變材料配方或是調(diào)整燒結(jié)工藝來實(shí)現(xiàn).但是燒結(jié)工藝的改變必須以不惡化磁芯其它電磁性能為原則.作者認(rèn)為第二種方法應(yīng)當(dāng)更為有效,這是由于加大空氣隙厚度,往往導(dǎo)致磁芯漏磁增大,無疑是不利的.
4.2 直流疊加條件下,材料的電感及品質(zhì)因數(shù)的頻率特性
圖8為在直流磁化場(chǎng)102A/m,環(huán)境溫度t=8℃條件下,環(huán)狀磁芯電感L、品質(zhì)因數(shù)Q值隨測(cè)試頻率的變化(測(cè)量線圈20匝,直流磁化線圈50匝,測(cè)試電流0.2mA).不難看出,在300Hz~40kHz范圍內(nèi),電感呈上升趨勢(shì);而Q值在f=10kHz時(shí)達(dá)最大值,當(dāng)f<300Hz或f>50kHz時(shí),Q值趨于0.值得注意的是,疊加直流對(duì)Q值曲線的形狀、峰值大小及其位置有顯著的影響,未疊加直流時(shí),磁芯Q值峰值位置在f=50kHz,其大小為180,在f=10kHz和100kHz時(shí),Q值分別為90和140.
必須指出的是,在直流偏磁化場(chǎng)為102A/m時(shí),當(dāng)f≥100kHz,L變?yōu)樨?fù)值,而當(dāng)f=100Hz或50kHz時(shí),L值出現(xiàn)如圖9所示的振蕩現(xiàn)象.我們知道材料的磁化率主要來自于兩方面的貢獻(xiàn),即轉(zhuǎn)動(dòng)磁化率和疇壁位移磁化率,材料的電感L出現(xiàn)振蕩,說明以上某一方面或兩方面都存在某種振蕩效應(yīng).根據(jù)鐵磁學(xué)理論[8],軟磁材料的磁化曲線分為初始磁化、不可逆磁化、可逆轉(zhuǎn)動(dòng)、趨近飽和等四個(gè)階段.因此,直流偏磁場(chǎng)的大小以及磁芯的技術(shù)磁化過程對(duì)電感的振蕩效應(yīng)可能有直接的影響.
4.3 直流疊加條件下材料的功耗特性
對(duì)于環(huán)狀磁芯在直流疊加條件下的功耗特性,作者以前已作過研究[9].與傳統(tǒng)的材料相比,新開發(fā)的材料,在直流偏場(chǎng)H=10A/m處獲得最低功耗,此后隨直流偏場(chǎng)的增加而線性增加.眾所周知,在f<300kHz時(shí),MnZn鐵氧體磁芯損耗主要來自兩個(gè)方面,一是磁滯損耗,二是渦流損耗.磁芯在H=10A/m處獲得最低的功耗,說明此時(shí)磁滯損耗變小(即磁滯回線面積變小);或者是渦流損耗變小,這可能要借助于微磁學(xué)理論才能解釋;或者兩者兼而有之.
值得指出的是,我們所采用的磁環(huán)在沒有直流疊加時(shí)(偏磁化線路斷路),其功耗很低[9].但采用圖7b所示的原理測(cè)量后,盡管調(diào)節(jié)直流磁化源電流輸出為0,但磁芯功耗明顯增大.這可能是兩磁環(huán)的直流磁化線圈中感應(yīng)的交流電壓未完全抵消,從而在與直流磁化源構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感生電流,消耗部分功率;或者是直流源顯示靈敏度不夠造成的,有關(guān)這方面還需作深入研究.
4.4 直流疊加條件下磁芯的噪音
在測(cè)試過程中我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用圖7a所示測(cè)量原理,將直流源輸出調(diào)至0.5A(即磁化場(chǎng)為320A/m)時(shí),若將測(cè)量端的電壓調(diào)至6.5V(f=16kHz),則直流源電流顯示消失,磁芯發(fā)出尖銳的噪聲,功耗顯示達(dá)500mW/g,僅幾秒鐘,磁芯即發(fā)熱;而如果直流線路斷路,在測(cè)量端加入電壓6.5V(16kHz)則聽不到噪聲.
磁芯噪聲一般認(rèn)為是由磁致伸縮引起的.疊加直流后,由于直流偏磁場(chǎng)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi),磁芯內(nèi)部正向磁場(chǎng)強(qiáng)度與反向磁場(chǎng)強(qiáng)度相差2倍的偏磁場(chǎng),從而使磁致伸縮出現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱,并且這種不對(duì)稱將隨著偏磁場(chǎng)的增大而愈為嚴(yán)重.
當(dāng)我們采用圖7b所示的測(cè)量原理時(shí),直流偏磁場(chǎng)只能加到64A/m,若再增加則功耗儀阻抗無法匹配,沒有電壓輸出,由于直流偏磁場(chǎng)較小,沒有聽到噪聲.
5 結(jié)論
(1)直流疊加條件下,電感對(duì)頻率存在明顯的依賴性,在一定范圍內(nèi)隨頻率的升高而增大,品質(zhì)因數(shù)Q值峰值大幅度下降,峰值位置向低頻方向移動(dòng).
(2)直流疊加條件下,在較低頻率(f=300Hz)和較高頻率(f=50kHz)時(shí),電感隨時(shí)間的變化呈明顯的振蕩效應(yīng),有待深入研究.
(3)不同材料的功耗隨著偏磁場(chǎng)的變化情況呈現(xiàn)不同的特性,新開發(fā)的材料除了整體功耗大幅度下降外,還具有功耗最低點(diǎn),這對(duì)使用無疑是十分有利的.
(4)較大的偏磁場(chǎng)容易使材料的磁致伸縮出現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱,從而產(chǎn)生噪聲.
為適應(yīng)電子技術(shù)的需要,現(xiàn)代功率鐵氧體材料已經(jīng)得到很大的發(fā)展.一般說來,功率鐵氧體材料主要分為兩大類:一類用于高頻開關(guān)電源,另一類用于高清晰度彩電和顯示器.主要用于高頻開關(guān)電源的功率鐵氧體材料有兩大發(fā)展趨勢(shì),一是向超低功耗方向發(fā)展,目前這些材料已經(jīng)系列化,典型代表如日本TDK公司的PC40、PC44、PC45、PC46、PC47.其中,PC45和PC46這兩種材料主要是針對(duì)特殊電路的需要而開發(fā)的超低功耗MnZn鐵氧體材料(功耗最低點(diǎn)溫度有所差異);而PC40、PC44、PC47功耗差別很大,在f=100kHz,Bm=200mT,T=100℃條件下,三者功耗分別為410mW/cm3、300mW/cm3和200mW/cm3.二是向高頻化方向發(fā)展,如日本TDK公司PC50材料可用至1MHz,荷蘭Philips公司的3F4材料可用至3MHz(這種材料適用于諧振式電源變壓器).當(dāng)f>3MHz時(shí),則通常采用NiZn材料,如Philips公司的4F1材料,可使用至10MHz.作者以前曾對(duì)世界各著名鐵氧體公司的超低功耗以及高頻低功耗功率鐵氧體材料作過詳細(xì)介紹[1],在此不再重復(fù).
高清晰度彩電以及高分辨率顯示器用功率鐵氧體材料的優(yōu)點(diǎn)是:(1)飽和磁通密度高(Bs≥500mT);(2)寬頻低功耗,對(duì)于這類材料目前使用頻率一般不超過100kHz,但要求16kHz~100kHz范圍內(nèi)功耗都比較低;(3)直流疊加特性優(yōu)良,這是這類材料最突出的優(yōu)點(diǎn),以日本TDK公司的HV22、HV38、HV40、HV45為典型代表,但在日本TDK公司1999年產(chǎn)品目錄上只保留兩種材料即HV22和HV45[2].目前,國內(nèi)已有少數(shù)幾個(gè)工廠能夠批量生產(chǎn)相當(dāng)于TDK HV22、HV38的產(chǎn)品,而對(duì)于HV40、HV45的產(chǎn)品,國內(nèi)還沒有哪個(gè)廠家能夠穩(wěn)定生產(chǎn).因此,必須盡快研制開發(fā),這是國內(nèi)軟磁行業(yè)所面臨的迫切任務(wù).
2 直流疊加特性描述
描述軟磁材料動(dòng)態(tài)特性的參量很多,如復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率、品質(zhì)因數(shù)、損耗特性、減落等[3].對(duì)于工作在直流偏磁化場(chǎng)的狀態(tài)而言,直流疊加特性也是軟磁材料的重要性能參數(shù),也是軟磁材料的動(dòng)態(tài)特性之一.交直流磁場(chǎng)的疊加一般分為兩種方式,一種是交流場(chǎng)與直流偏磁化場(chǎng)垂直,另一種是交流場(chǎng)與偏磁化場(chǎng)平行.實(shí)際上,使用較多的是平行疊加方式.
軟磁鐵氧體材料的性能往往會(huì)由于疊加直流磁化場(chǎng)而發(fā)生顯著的變化,最明顯的就是磁導(dǎo)率的變化.在有偏磁場(chǎng)存在的情況下,材料的磁導(dǎo)率稱為“可逆磁導(dǎo)率μrev”,V.W.kampcgyk等人對(duì)MnZn鐵氧體的研究結(jié)果表明,可逆磁導(dǎo)率并非單純只與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān),而且還與其磁化歷史有關(guān).當(dāng)直流磁場(chǎng)H-沿磁滯回線變化時(shí),可逆磁導(dǎo)率呈典型的蝶形曲線[4],如圖1所示.
實(shí)踐證明,磁導(dǎo)率隨直流偏磁化場(chǎng)的增大而降低,下降的陡峭程度取決于磁滯回線的形狀,也就是說完全取決于材料的成分、制造工藝以及磁芯之間的氣隙大小.通常在開關(guān)調(diào)節(jié)電路中,希望由于出現(xiàn)不可避免的直流偏磁化場(chǎng)而使磁導(dǎo)率下降的幅度變小;而在磁控可變電感器中,則希望改變直流偏磁場(chǎng)時(shí),能使磁導(dǎo)率靈敏地變化.
S.Wada等[5]曾經(jīng)研究了直流疊加對(duì)電工鐵(硅鋼片)功耗、磁致伸縮及噪音的影響.指出,當(dāng)磁通密度較低時(shí),功耗將隨著直流磁場(chǎng)的增大而增大;而當(dāng)磁通密度較高時(shí),功耗幾乎不隨直流磁場(chǎng)而變.其解釋是:在低磁通密度條件下,硅鋼片渦流損耗可近似表達(dá)為
Pe=1/2π3/2f3/2B2σ1/2μ-1/2a
式中,σ為電導(dǎo)率;μ為磁導(dǎo)率;a為硅鋼片厚度;f為頻率;B為磁通密度.由于鐵芯的磁導(dǎo)率將隨著直流場(chǎng)的增大而下降,由上式不難看出,Pe將上升.但在較高的磁通密度條件下,鐵芯內(nèi)部的磁通密度的變化將與薄片表面的相同,此時(shí)渦流損耗將與磁導(dǎo)率無關(guān).
另一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是:由于直流疊加,電工鐵在交流磁場(chǎng)下的磁致伸縮出現(xiàn)不對(duì)稱,從而使噪聲變大.圖2顯示了不同直流偏磁場(chǎng)條件下,鐵芯的噪音隨電壓的變化.圖3則是磁致伸縮蝶形曲線隨直流偏磁場(chǎng)的變化.
M.Murasato等提出用在直流偏磁場(chǎng)磁化場(chǎng)狀態(tài)下工作的磁芯溫升來評(píng)價(jià)鐵氧體磁芯的性能,這樣更接近于磁芯的真實(shí)工作狀態(tài).圖4a為通常情況下,測(cè)量磁芯功耗時(shí)的電壓、電流波形;圖4b為疊加直流后的鋸齒波形,這是磁芯的實(shí)際使用狀態(tài)[6].
Murasato的研究結(jié)果是:隨著直流偏磁場(chǎng)的增強(qiáng),磁芯的溫升幾乎呈線性上升,如圖5.對(duì)于在通常情況下測(cè)量的功耗最低的磁芯,在疊加直流后,其溫升卻不是最低,如圖6.
3 直流疊加特性測(cè)量原理
為簡(jiǎn)化測(cè)量裝置,在測(cè)試磁芯電感直流疊加特性時(shí),可采用圖7a所示的測(cè)量原理.這一原理比較簡(jiǎn)單,但嚴(yán)格說來,測(cè)量線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)將會(huì)在偏磁化線圈中感應(yīng)出交變電壓,而一般情況下,偏磁化線圈匝數(shù)要大大高于測(cè)量線圈,因此,感應(yīng)出的交變電壓還是挺高的,好在直流磁化源內(nèi)阻可以看成是非常大,感應(yīng)電流可以忽略不計(jì).
嚴(yán)格的測(cè)量,特別是直流偏磁場(chǎng)下功耗的測(cè)量應(yīng)采用圖7b所示的測(cè)量原理.磁芯1和磁芯2由同種材料制成且尺寸相同,這兩個(gè)磁芯上的偏磁化線圈繞制方向相反,即串聯(lián)反接,這樣在這兩線圈中的感生電動(dòng)勢(shì)方向相反而自動(dòng)抵消.在該測(cè)量方法中,功耗儀顯示功耗為兩磁芯功耗之和.
如果僅僅需要了解磁芯電感的直流疊加特性,可以采用圖7c所示的更簡(jiǎn)化的測(cè)量原理圖.
在測(cè)量不同直流偏磁場(chǎng)下的磁芯可逆磁導(dǎo)率以及功耗時(shí),為防止直流線圈長時(shí)間通電過熱,每測(cè)完一點(diǎn)必須切斷電源,同時(shí)為消除磁滯(圖1)引起的μrev差異,必須通過測(cè)量線圈加入交變磁場(chǎng),并逐漸減小到0(消磁).本研究中,測(cè)試磁環(huán)電感直流疊加特性時(shí),采用圖7a原理,電感測(cè)量?jī)x采用HP4274A LCR表,而直流偏磁條件下功耗特性的測(cè)量則采用圖7b原理(環(huán)狀磁芯直流磁化線圈50匝,交流測(cè)量線圈20匝).
4 MnZn鐵氧體材料及磁芯直流疊加特性
4.1 磁芯電感直流疊加特性
關(guān)于帶有氣隙的鐵氧體磁芯(如U形磁芯)的電感直流疊加特性,作者以前已作過研究[7].指出,要改善磁芯的直流疊加特性,主要可通過以下兩個(gè)途徑:一是通過調(diào)節(jié)磁芯的空氣隙厚度來實(shí)現(xiàn),當(dāng)然,這必須借助于Hanna曲線來確定磁芯的最佳氣隙和繞組匝數(shù).二是通過改變材料配方或是調(diào)整燒結(jié)工藝來實(shí)現(xiàn).但是燒結(jié)工藝的改變必須以不惡化磁芯其它電磁性能為原則.作者認(rèn)為第二種方法應(yīng)當(dāng)更為有效,這是由于加大空氣隙厚度,往往導(dǎo)致磁芯漏磁增大,無疑是不利的.
4.2 直流疊加條件下,材料的電感及品質(zhì)因數(shù)的頻率特性
圖8為在直流磁化場(chǎng)102A/m,環(huán)境溫度t=8℃條件下,環(huán)狀磁芯電感L、品質(zhì)因數(shù)Q值隨測(cè)試頻率的變化(測(cè)量線圈20匝,直流磁化線圈50匝,測(cè)試電流0.2mA).不難看出,在300Hz~40kHz范圍內(nèi),電感呈上升趨勢(shì);而Q值在f=10kHz時(shí)達(dá)最大值,當(dāng)f<300Hz或f>50kHz時(shí),Q值趨于0.值得注意的是,疊加直流對(duì)Q值曲線的形狀、峰值大小及其位置有顯著的影響,未疊加直流時(shí),磁芯Q值峰值位置在f=50kHz,其大小為180,在f=10kHz和100kHz時(shí),Q值分別為90和140.
必須指出的是,在直流偏磁化場(chǎng)為102A/m時(shí),當(dāng)f≥100kHz,L變?yōu)樨?fù)值,而當(dāng)f=100Hz或50kHz時(shí),L值出現(xiàn)如圖9所示的振蕩現(xiàn)象.我們知道材料的磁化率主要來自于兩方面的貢獻(xiàn),即轉(zhuǎn)動(dòng)磁化率和疇壁位移磁化率,材料的電感L出現(xiàn)振蕩,說明以上某一方面或兩方面都存在某種振蕩效應(yīng).根據(jù)鐵磁學(xué)理論[8],軟磁材料的磁化曲線分為初始磁化、不可逆磁化、可逆轉(zhuǎn)動(dòng)、趨近飽和等四個(gè)階段.因此,直流偏磁場(chǎng)的大小以及磁芯的技術(shù)磁化過程對(duì)電感的振蕩效應(yīng)可能有直接的影響.
4.3 直流疊加條件下材料的功耗特性
對(duì)于環(huán)狀磁芯在直流疊加條件下的功耗特性,作者以前已作過研究[9].與傳統(tǒng)的材料相比,新開發(fā)的材料,在直流偏場(chǎng)H=10A/m處獲得最低功耗,此后隨直流偏場(chǎng)的增加而線性增加.眾所周知,在f<300kHz時(shí),MnZn鐵氧體磁芯損耗主要來自兩個(gè)方面,一是磁滯損耗,二是渦流損耗.磁芯在H=10A/m處獲得最低的功耗,說明此時(shí)磁滯損耗變小(即磁滯回線面積變小);或者是渦流損耗變小,這可能要借助于微磁學(xué)理論才能解釋;或者兩者兼而有之.
值得指出的是,我們所采用的磁環(huán)在沒有直流疊加時(shí)(偏磁化線路斷路),其功耗很低[9].但采用圖7b所示的原理測(cè)量后,盡管調(diào)節(jié)直流磁化源電流輸出為0,但磁芯功耗明顯增大.這可能是兩磁環(huán)的直流磁化線圈中感應(yīng)的交流電壓未完全抵消,從而在與直流磁化源構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感生電流,消耗部分功率;或者是直流源顯示靈敏度不夠造成的,有關(guān)這方面還需作深入研究.
4.4 直流疊加條件下磁芯的噪音
在測(cè)試過程中我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用圖7a所示測(cè)量原理,將直流源輸出調(diào)至0.5A(即磁化場(chǎng)為320A/m)時(shí),若將測(cè)量端的電壓調(diào)至6.5V(f=16kHz),則直流源電流顯示消失,磁芯發(fā)出尖銳的噪聲,功耗顯示達(dá)500mW/g,僅幾秒鐘,磁芯即發(fā)熱;而如果直流線路斷路,在測(cè)量端加入電壓6.5V(16kHz)則聽不到噪聲.
磁芯噪聲一般認(rèn)為是由磁致伸縮引起的.疊加直流后,由于直流偏磁場(chǎng)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi),磁芯內(nèi)部正向磁場(chǎng)強(qiáng)度與反向磁場(chǎng)強(qiáng)度相差2倍的偏磁場(chǎng),從而使磁致伸縮出現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱,并且這種不對(duì)稱將隨著偏磁場(chǎng)的增大而愈為嚴(yán)重.
當(dāng)我們采用圖7b所示的測(cè)量原理時(shí),直流偏磁場(chǎng)只能加到64A/m,若再增加則功耗儀阻抗無法匹配,沒有電壓輸出,由于直流偏磁場(chǎng)較小,沒有聽到噪聲.
5 結(jié)論
(1)直流疊加條件下,電感對(duì)頻率存在明顯的依賴性,在一定范圍內(nèi)隨頻率的升高而增大,品質(zhì)因數(shù)Q值峰值大幅度下降,峰值位置向低頻方向移動(dòng).
(2)直流疊加條件下,在較低頻率(f=300Hz)和較高頻率(f=50kHz)時(shí),電感隨時(shí)間的變化呈明顯的振蕩效應(yīng),有待深入研究.
(3)不同材料的功耗隨著偏磁場(chǎng)的變化情況呈現(xiàn)不同的特性,新開發(fā)的材料除了整體功耗大幅度下降外,還具有功耗最低點(diǎn),這對(duì)使用無疑是十分有利的.
(4)較大的偏磁場(chǎng)容易使材料的磁致伸縮出現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱,從而產(chǎn)生噪聲.
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回復(fù)