DC-Drosseln - Hintergrund und Messungen

1. Was ist eine Gleichstromvorspannung und wann sollte sie getestet werden?

Im Zusammenhang mit einem Transformator oder einer Drossel beschreibt die Gleichstromvorspannung ein konstantes Stromelement, das dem Wechselstromsignal hinzugefügt wird.
Viele gewickelte Komponenten müssen mit durch sie fließendem Gleichstrom betrieben werden und während der Entwurfsphase muss sichergestellt werden, dass die Komponente mit dem angegebenen Strom ordnungsgemäß funktioniert.
Bei Produktionstests ist es jedoch möglich, die korrekte Montage und damit den korrekten Betrieb einer gewickelten Komponente zu bestätigen, ohne eine Gleichstromvorspannung anzulegen.

Um jedoch sicherzugehen, sollten Sie die Prüfung bei vorhandener Gleichstromvorspannung durchführen und dabei eine Gleichstromvorspannungseinheit wie DC1000A verwenden, um den korrekten Betrieb in jedem einzelnen Schritt zu gewährleisten.
Der Voltech AT5600 ermöglicht die Integration von DC1000A und eine automatische Prüfung der DC-Leistung.

2. Niedrigstrom- und Hochstromanwendungen

In einigen Fällen ist der Gleichstrom-Vorspannungsstrom gering (unter 400 mA).
Wie zum Beispiel bei Telekommunikationstransformatoren, bei denen eine Wicklung in Reihe mit dem Gleichstromversorgungsstrom des Telefons geschaltet ist.
In anderen Fällen ist der Gleichstrom-Vorspannungsstrom viel größer, beispielsweise bei Induktoren, die als Ausgangsfilter von Stromversorgungen verwendet werden:

In allen diesen Fällen muss das gewickelte Bauteil eine bestimmte Induktivität beibehalten, wenn in der Wicklung der Nenn-D-Strom fließt.

3. Designüberlegungen

Magnetische Materialien wie Eisen und Ferrit weisen im Allgemeinen einen hohen Permeabilitätswert auf, d. h. eine Spule mit einer bestimmten Windungszahl hat eine viel höhere Induktivität als der gleiche Kern in Luft.

Eine gewickelte Komponente mit einem Kern mit hoher Permeabilität weist jedoch eine sehr steile BH-Kurve auf und kann daher nur einen sehr kleinen Gleichstrom-Vorspannungsstrom tolerieren, da der Kern sonst gesättigt wird.

Wenn der Kern gesättigt ist, sinkt die Induktivität auf einen sehr niedrigen Wert.

Um eine Spule herzustellen, die mit höheren Gleichstrom-Vorspannungsströmen funktioniert, muss die Permeabilität des Kerns verringert werden.
Dies wird durch das Einbringen von Luftspalten in den Magnetkreis erreicht, entweder durch Verwendung eines physischen Abstands oder durch Verwendung eines Kerns aus einem Verbund magnetischer und nicht magnetischer Materialien (wodurch der Effekt von Luftspalten entsteht).
Kerne mit Luftspalten weisen eine wesentlich geringere Gesamtpermeabilität auf und können wesentlich größere Gleichströme tolerieren, bevor sie in die Sättigung geraten:

4. DC-Bias-Test

4.1 Kerne für kleine DC-Vorströme

Gewickelte Komponenten für kleine Gleichstrom-Vorspannungsströme werden im Allgemeinen mit Kernen mittlerer bis hoher Permeabilität konstruiert.
Der Permeabilitätswert solcher Kerne variiert von Charge zu Charge, da er vom Herstellungsprozess des Kerns selbst abhängt.
Diese Variation führt zu einer großen Toleranz der gemessenen Induktivität der Wicklung, was sich in der großen Toleranz der Induktivitätskonstante (AL) in den Spezifikationen der Kernhersteller widerspiegelt.
Diese Variation der Induktivität führt dazu, dass einige Spulen den angegebenen Gleichstrom-Vorspannungsstrom vertragen und andere nicht:

Die einzige sichere Möglichkeit zu überprüfen, ob die Spule mit dem angegebenen Gleichstrom betrieben werden kann, ist die Messung der Induktivität Dabei fließt ein kleiner Gleichstrom-Vorspannungsstrom , der sicherstellt, dass die Induktivität mindestens den angegebenen Mindestwert aufweist.
Die integrierten LSB-, LPB- und ZB- Tests des AT5600 ermöglichen eine Gleichstromvorspannung von bis zu 1 Ampere ohne die Notwendigkeit einer externen Vorspannungsquelle.

4.2 Kerne für größere DC-Ruheströme

Wie bereits erwähnt, haben Spulen für höhere Gleichstrom-Vorspannungsströme (über etwa 400 mA) aufgrund von Luftspalten einen Kern mit geringer Permeabilität.
Wenn der Luftspalt vergrößert wird, sinkt die Permeabilität und damit die Induktivität, und die Gleichstrombelastbarkeit steigt, wie unten für einen typischen Ferrit-E-Kern mit Luftspalt gezeigt. (Die Anzahl der Windungen ist für jeden Wert gleich.)

Vorausgesetzt, dass der Kern nicht gesättigt ist (was während der Entwurfsphase festgestellt wird), ist der Induktivitätswert für jeden Transformator mit oder ohne angelegte Gleichstromvorspannung derselbe.

Um dies zu veranschaulichen, zeigt die folgende Grafik Induktivitätsmessungen, die vom Transformator in der obigen Tabelle ohne Gleichstromvorspannung erhalten wurden, verglichen mit dem gleichen Transformator mit der angegebenen Gleichstromvorspannung.

Bei Kernen mit größeren Luftspalten werden die Permeabilität und damit auch die Induktivität überwiegend durch die Größe des Spalts bestimmt und sind von Schwankungen im Kernmaterial weitaus weniger abhängig.

Dies führt dazu, dass die Induktivitätsschwankung bei einem Kern mit Spalt viel geringer ist, da der Spalt eine viel konstantere Permeabilität aufweist als das magnetische Material selbst. Der Induktivitätswert ist daher innerhalb einer engen Toleranz vorhersagbar.

Daraus folgt, dass eine Messung der Induktivität (ohne Gleichstromvorspannung) einer solchen Spule die notwendige Kontrolle darüber bietet, dass der Kern den richtigen Luftspalt hat und daher in der Lage ist, mit dem angegebenen Gleichstrom zu arbeiten.

5. Schlussfolgerungen zur DC-Voreingenommenheit

Alle Gleichstromdrosseln verwenden Kerne mit geringer Permeabilität, entweder Eisenpulver- oder Ferritkerne mit einem großen Luftspalt.

Eine niedrige Permeabilität ist wichtig, um eine Sättigung des Kerns bei einem großen Gleichstrom zu verhindern.

Die Induktivität ist ein Maß für die Steigung der BH-Kurve.

Ein Kern mit hoher Permeabilität kann eine Steigung oder einen Induktivitätswert mit einer großen Toleranz aufweisen.

Kerne mit Luftspalt oder aus Eisenpulver führen aufgrund ihrer geringen Permeabilität dazu, dass diese Kerne eine in sehr engen Grenzen spezifizierbare Induktivität aufweisen.

Bei Konstruktionstests muss unbedingt bestätigt werden, dass eine Gleichstromdrossel bei Nenngleichstrom die richtige Induktivität aufweist.

Bei Produktionstests können einige Gleichstromdrosseln jedoch durch Prüfen der Induktivität ohne Gleichstromvorspannung getestet werden. Durch die Angabe enger Grenzen lässt sich jedoch sicherstellen, dass der Kern die richtigen Windungen und damit die richtige Neigung aufweist, um bei dem angegebenen Gleichstrom die erforderliche Induktivität zu erreichen.

6, Siehe auch