Sugerencias de prueba para transformadores de ferrita

1. Introducción a la prueba de transformadores de ferrita

A medida que los productos electrónicos utilizan técnicas de mayor frecuencia para reducir el tamaño y mejorar la eficiencia, los núcleos de ferrita se utilizan en una proporción cada vez mayor de diseños de transformadores.
Por lo tanto, los fabricantes de transformadores deben satisfacer la necesidad de transformadores más pequeños diseñados para funcionar a frecuencias más altas, lo que introduce demandas adicionales tanto en los métodos de fabricación como en los de prueba.

Estos problemas se aplican a una amplia gama de aplicaciones comunes, incluidas fuentes de alimentación de modo conmutado, balastos de iluminación, controladores de inversores, equipos de audio y telecomunicaciones y muchos más.
La necesidad actual de comprobar el rendimiento de todos los componentes de un producto ha dado lugar a una demanda de que todos y cada uno de los transformadores se prueben más exhaustivamente de lo que se esperaba tradicionalmente.
En las siguientes páginas, consideraremos la gama de pruebas que son apropiadas para probar exhaustivamente los diseños de transformadores de ferrita y comenzaremos con una revisión de los componentes presentes en un transformador común.

FIGURA 1

Esquema de un transformador simple de dos devanados conectado a los nodos Kelvin de cuatro cables de un probador de transformadores de la serie AT.

Del esquema de la figura 1 se puede ver que incluso el más simple de los transformadores incluye una combinación bastante compleja de componentes resistivos y reactivos.
Para establecer con confianza que un transformador ha sido fabricado correctamente, es necesario ejecutar una serie de pruebas que se combinan para brindar una garantía de que los materiales utilizados y el proceso de fabricación ejecutado dan como resultado transformadores que cumplen con la especificación de diseño.

2. R: Resistencia

Asegura que el calibre del cobre que se utiliza para cada devanado sea el correcto.
Unidad de medida: ohmios. Rango: 10 mOhms a 10 MOhms
Todos los devanados se prueban individualmente para garantizar que no haya devanados con un calibre de cobre insuficiente para transportar la corriente requerida.

3. LS: Inductancia en serie

Garantiza que se haya utilizado el material de núcleo correcto y que el número de vueltas sea el correcto.
Unidad de medida, Henrios. Rango de 1 nH a 1 MH con nivel de señal de 1 mV a 5 V a 20 Hz a 3 MHz.
Los distintos materiales del núcleo presentan una permeabilidad diferente y, por lo tanto, un valor de inductancia diferente para una determinada cantidad de vueltas. Con la cantidad correcta de vueltas, la inductancia proporciona una medida de la capacidad de los materiales del núcleo para mantener el flujo magnético requerido sin saturación.

Figura 3 Ejemplo de pantalla de entrada de prueba para inductancia utilizando el programa Editor.

4. QL: Factor de calidad

Asegura que el material del núcleo y su montaje sean correctos.
Unidad de medida, Q. Rango de 0,001 a 1000 con nivel de señal de 1 mV a 5 V a 20 Hz a 3 MHz
El factor de calidad representa la eficiencia de un inductor como la relación entre la energía almacenada y la energía desperdiciada y se deriva de la ecuación L / (R SQRT(LC) ). Se puede observar que se obtienen valores Q más altos cuando el componente inductivo es grande en relación con los componentes resistivo y capacitivo.

Figura 4. Ejemplo de pantalla de ingreso de prueba para el factor Q utilizando el programa Editor.

5. ANGL: Ángulo de impedancia

Asegura que el material del núcleo, la resistencia del cable, el número de vueltas y la capacitancia entre devanados se combinen para cumplir con las especificaciones de diseño.
Unidad de medida, grados. Rango de -360° a +360° con un nivel de señal de 1 mV a 5 V a 20 Hz a 3 MHz.
En el caso de transformadores que funcionan en un amplio rango de frecuencias, por ejemplo, transformadores de audio, el diseñador o el departamento de producción pueden tener que medir el ángulo de fase entre la impedancia real (resistiva (R)) y la impedancia imaginaria (inductiva o capacitiva (jXs)). La suma de R y jXs se conoce comúnmente como Z (impedancia total).
A medida que aumenta la frecuencia aplicada en un inductor, la impedancia aumenta y el ángulo de fase de impedancia disminuye hasta el punto de autorresonancia, en este punto el ángulo de fase de impedancia es cero (también el valor de impedancia más alto).

Figura 5 Ejemplo de pantalla de ingreso de prueba para el ángulo de fase utilizando el programa Editor.

6. LL: Inductancia de fuga

Asegura que los devanados estén colocados correctamente en la bobina y que cualquier espacio de aire incluido en el diseño del núcleo sea del tamaño correcto.

Unidad de medida, henrios. Rango de 1 nH a 1 kH con nivel de señal de 1 mV a 5 V a 20 Hz a 3 MHz

La inductancia de fuga es el componente inductivo atribuible al flujo magnético que no vincula los devanados primario y secundario. Los diseños pueden requerir un valor específico de inductancia de fuga para el correcto funcionamiento del circuito en el que se instalará el transformador o puede ser necesario mantener el valor muy bajo. La medición de la inductancia de fuga requiere la aplicación de un cortocircuito a los devanados secundarios y esto a menudo puede presentar problemas en un entorno de producción. Los comprobadores de la serie AT eliminan estos problemas con una técnica de medición única que se describe en detalle en una nota técnica independiente VPN: 104-105.

Figura 6 Ejemplo de pantalla de entrada de prueba para inductancia de fuga utilizando el programa Editor.

7. C: Capacitancia entre devanados

Asegura que el espesor del aislamiento entre los devanados sea correcto.
Unidad de medida: faradios. Rango de 100 fF a 1 mF con nivel de señal de 1 mV a 5 V a 20 Hz a 3 MHz.
La capacitancia se produce en inductores y transformadores debido a la proximidad física del acoplamiento electrostático entre los cables dentro de un devanado.
También existe capacitancia entre devanados separados, de primario a secundario o de secundario a secundario.

Figura 7 Ejemplo de pantalla de ingreso de prueba de capacitancia usando el programa Editor.

8. TR: Relación de vueltas

Asegura que el número de vueltas de cada devanado y la polaridad del devanado cumplan con las especificaciones.
Unidad de medida, relación decimal. 1:100 k a 100 k:1 con un nivel de señal de 1 mV a 5 V a 20 Hz a 3 MHz
La relación de vueltas se mide para determinar que la cantidad de vueltas en los devanados primario y secundario sea correcta y, por lo tanto, se alcancen los voltajes secundarios requeridos cuando el transformador está en uso. Es importante recordar que las diversas pérdidas del transformador que se muestran en la figura 1 darán como resultado una relación de voltaje que no corresponde exactamente con la relación de vueltas físicas presentes en los devanados. Los comprobadores de la serie AT incluyen la capacidad de calcular las vueltas a partir de la relación de inductancia (TRL), lo que supera los errores atribuibles a la pérdida del núcleo y la inductancia de fuga.
Esta y otras consideraciones sobre la relación de giro se describen en una nota técnica separada VPN: 104-113.

Figura 8. Ejemplo de pantalla de ingreso de prueba para relación de vueltas utilizando el programa Editor.

9. SURG: Prueba de sobretensiones de alto voltaje

Asegura que el material aislante alrededor del cable de cobre (normalmente laca) no haya sido dañado durante la fabricación introduciendo el riesgo de un cortocircuito entre devanados.
Unidad de medida, mV Segundos. Rango de 1 mVs a 1 kVs con un nivel de señal de impulso de 100 V a 5 kV.
Los transformadores con un gran número de vueltas que utilizan alambre fino son vulnerables a sufrir daños en el aislamiento. Los daños en el material de aislamiento durante la producción son muy difíciles de detectar, ya que puede que no se produzca un cortocircuito total y el voltaje aplicado durante la prueba de vueltas no será suficiente para salvar este cortocircuito parcial. Sin embargo, durante el funcionamiento dentro del producto terminado, el transformador está expuesto a voltajes mucho más altos que pueden provocar un arco de corona en el punto de daño o el efecto de calentamiento del uso normal puede provocar un cortocircuito después de un corto período de tiempo.

Al conectar un condensador cargado dentro del AT3600 a un devanado de transformador, el devanado se expone a un voltaje de impulso y, al medir el área bajo la oscilación decreciente, es posible establecer si se ha producido una ruptura entre las espiras del devanado. El diagrama siguiente ilustra la oscilación decreciente de un devanado de transformador sin daño en el aislamiento frente al mismo devanado con el aislamiento dañado.

Figura 9 Ejemplos de formas de onda de sobretensión

Al calcular el producto voltio-segundo bajo la curva, el AT3600 proporciona una cantidad numérica con la que se pueden establecer componentes buenos o malos. Esto ofrece la ventaja de detectar espiras en cortocircuito mediante una técnica de voltaje de impulso, al tiempo que se evitan los posibles errores inherentes a la interpretación por parte del usuario de formas de onda complejas.

Figura 10 Ejemplo de pantalla de ingreso de prueba para sobretensión utilizando el programa Editor.

10. IR: Resistencia de aislamiento

Asegura que el aislamiento entre devanados cumpla con la especificación requerida
Unidad de medida, Ohmios. Rango de 1 MOhms a 100 GOhms con un nivel de señal de 100 V a 7 kV (AT5600 + AT3600) o 500 V (ATi).
Utilizando un generador de alto voltaje de CC y un sistema de medición de corriente de CC, se calcula el valor de la resistencia.

Figura 11 Ejemplo de pantalla de ingreso de prueba de resistencia de aislamiento utilizando el programa Editor.

11. HPAC: Pruebas de seguridad de CA de alto voltaje

Asegura que los devanados estén posicionados correctamente con los materiales correctos para proporcionar el nivel requerido de aislamiento de seguridad.
Unidad de medida, Amperios. Rango de 10 uA a 10 mA con un nivel de señal de 100 V CA a 5 kV CA.
Todos los transformadores que proporcionan aislamiento de un sistema de alimentación de CA deben probarse para confirmar su capacidad de soportar voltajes de prueba de seguridad sin sufrir averías. Para cumplir con las normas de prueba, es necesario proporcionar evidencia de que el voltaje de prueba se mantiene durante el período de prueba y el AT3600/AT5600 lo logra midiendo y controlando el voltaje aplicado durante toda la duración de la prueba.

Figura 12 Ejemplo de pantalla de ingreso de prueba para HPAC usando el programa Editor.

12. Conclusiones de las pruebas de ferrita

Se puede observar que la gama adecuada de pruebas proporcionará una garantía completa de que todos los materiales y procesos de producción dentro de un transformador son correctos.
Esto a su vez garantizará que se sepa que todos y cada uno de los transformadores probados cumplen plenamente con las especificaciones requeridas.
Históricamente, realizar pruebas tan exhaustivas ha sido demasiado costoso, demasiado difícil o ha requerido demasiado tiempo.
Sin embargo, los probadores de la serie AT proporcionan una solución rentable, fácil de usar y rápida.
La prueba completa que se muestra arriba fue ejecutada por el probador AT a una velocidad de 1,2 segundos, con solo tocar un botón.

14. Véase también: