Suggerimenti per i test sui trasformatori in ferrite

1. Introduzione al test dei trasformatori in ferrite

Poiché i prodotti elettronici utilizzano tecniche a frequenza più elevata per ridurre le dimensioni e migliorare l'efficienza, i nuclei di ferrite vengono utilizzati in una percentuale crescente di progetti di trasformatori.
I produttori di trasformatori devono quindi soddisfare la necessità di trasformatori più piccoli progettati per funzionare a frequenze più elevate, il che introduce ulteriori requisiti sia sui metodi di produzione che su quelli di test.

Questi problemi si applicano a un'ampia gamma di applicazioni comuni, tra cui alimentatori a commutazione, reattori per illuminazione, azionamenti di inverter, apparecchiature audio e di telecomunicazione e molto altro.
L'esigenza odierna di prestazioni comprovate di tutti i componenti di un prodotto ha portato alla richiesta che ogni singolo trasformatore venga testato in modo più approfondito di quanto tradizionalmente previsto.
Nelle pagine seguenti, prenderemo in considerazione la gamma di test appropriati per testare approfonditamente i progetti di trasformatori in ferrite e inizieremo con una revisione dei componenti presenti in un comune trasformatore.

FIGURA 1

Schema di un semplice trasformatore a due avvolgimenti collegato ai nodi Kelvin a quattro fili di un tester per trasformatori della serie AT.

Dallo schema in figura 1 si può vedere che anche il più semplice dei trasformatori comprende una combinazione piuttosto complessa di componenti resistivi e reattivi.
Per stabilire con certezza che un trasformatore è stato prodotto correttamente, è necessario eseguire una serie di test che si combinano per fornire la garanzia che i materiali utilizzati e il processo di produzione eseguito diano trasformatori che soddisfano le specifiche di progettazione.

2. CTY: Continuità

Garantisce che il trasformatore sia posizionato correttamente nel suo supporto e che l'integrità di tutte le terminazioni dell'avvolgimento sia buona.
Unità di misura, Ohm. Gamma da 10 KOhm a 10 MOhm
Selezionando prima questo test, l'operatore può essere avvisato se eventuali connessioni sono scadenti prima di eseguire i test principali, risparmiando tempo ed evitando segnalazioni errate di errori del trasformatore nelle statistiche dei lotti.

3. R: Resistenza

Garantisce che il calibro del rame utilizzato per ciascun avvolgimento sia corretto.
Unità di misura, Ohm. Intervallo da 10 mOhm a 10 MOhm
Tutti gli avvolgimenti vengono testati individualmente garantendo che non vi siano avvolgimenti con un diametro di rame insufficiente per trasportare la corrente richiesta.

4. LS: induttanza in serie

Garantisce che sia stato utilizzato il materiale d'anima corretto e che il numero di giri sia corretto.
Unità di misura, Henries. Intervallo da 1 nH a 1 MH con livello del segnale da 1 mV a 5 V da 20 Hz a 3 MHz.
Diversi materiali del nucleo mostrano una permeabilità diversa e quindi un diverso valore di induttanza per un particolare numero di spire. Con il numero corretto di spire, l'induttanza fornisce una misura della capacità dei materiali del nucleo di mantenere il flusso magnetico richiesto senza saturazione.

Figura 3 Esempio di schermata di immissione del test per l'induttanza utilizzando il programma Editor.

5. QL: Fattore di qualità

Garantisce che il materiale del nucleo e il suo assemblaggio siano corretti
Unità di misura, Q. Intervallo da 0,001 a 1000 con livello di segnale da 1 mV a 5 V @ da 20 Hz a 3 MHz
Il fattore di qualità rappresenta l'efficienza di un induttore come rapporto tra l'energia immagazzinata e l'energia sprecata e deriva dall'equazione L / (R SQRT(LC)). Si può vedere che valori Q più elevati si ottengono quando la componente induttiva è grande rispetto alle componenti resistiva e capacitiva.

Figura 4 Esempio di schermata di immissione del test per Q Factor utilizzando il programma Editor.

6. ANGL: Angolo di impedenza

Garantisce che il materiale del nucleo, la resistenza del filo, il numero di spire e la capacità tra gli avvolgimenti si combinino per soddisfare le specifiche di progettazione.
Unità di misura, Gradi. Intervallo da -360° a +360° con un livello di segnale da 1 mV a 5 V da 20 Hz a 3 MHz.
Per i trasformatori in applicazioni che operano su un'ampia gamma di frequenze, ad esempio trasformatori audio, il progettista o il reparto di produzione potrebbe dover misurare l'angolo di fase tra l'impedenza reale (resistiva (R)) e l'impedenza immaginaria (induttiva o capacitiva (jXs)) . La somma di R e jXs viene comunemente definita Z (impedenza totale).
Quando la frequenza applicata viene aumentata su un induttore, l'impedenza aumenta e l'angolo di fase dell'impedenza diminuisce fino al punto di autorisonanza, a questo punto l'angolo di fase dell'impedenza è zero (anche il valore di impedenza più alto).

Figura 5 Esempio di schermata di immissione del test per Phase Angle utilizzando il programma Editor.

7. LL: Induttanza di dispersione

Garantisce che gli avvolgimenti siano posizionati correttamente sulla bobina e che l'eventuale traferro incluso nel disegno del nucleo abbia le dimensioni corrette.

Unità di misura, Henries. Intervallo da 1 nH a 1 kH con livello del segnale da 1 mV a 5 V da 20 Hz a 3 MHz

L'induttanza di dispersione è la componente induttiva attribuibile al flusso magnetico che non collega gli avvolgimenti primario a quello secondario. I progetti possono richiedere un valore specifico di induttanza di dispersione per il corretto funzionamento del circuito in cui verrà inserito il trasformatore oppure potrebbe essere necessario mantenere il valore molto basso. La misurazione dell'induttanza di dispersione richiede l'applicazione di un cortocircuito agli avvolgimenti secondari e ciò può spesso presentare problemi in un ambiente di produzione. I tester della serie AT eliminano questi problemi con una tecnica di misurazione unica descritta in dettaglio in una nota tecnica separata VPN: 104-105.

Figura 6 Esempio di schermata di immissione del test per l'induttanza di dispersione utilizzando il programma Editor.

8. C: Capacità tra gli avvolgimenti

Garantisce che lo spessore dell'isolamento tra gli avvolgimenti sia corretto.
Unità di misura, Farad. Intervallo da 100 fF a 1 mF con livello del segnale da 1 mV a 5 V da 20 Hz a 3 MHz
La capacità si verifica negli induttori e nei trasformatori a causa della vicinanza fisica dell'accoppiamento elettrostatico tra i fili all'interno di un avvolgimento.
La capacità esiste anche tra avvolgimenti separati da primario a secondario o da secondario a secondario.

Figura 7 Esempio di schermata di immissione del test per la capacità utilizzando il programma Editor.

9. TR: rapporto giri

Garantisce che il numero di spire su ciascun avvolgimento e la polarità dell'avvolgimento soddisfino le specifiche.
Unità di misura, Rapporto decimale. Da 1:100 k a 100 k:1 con un livello di segnale da 1 mV a 5 V da 20 Hz a 3 MHz
Il rapporto spire viene misurato per stabilire che il numero di spire sugli avvolgimenti primari e secondari sia corretto e quindi le tensioni secondarie richieste vengano raggiunte quando il trasformatore è in uso. È importante ricordare che le varie perdite del trasformatore mostrate in figura 1 daranno come risultato un rapporto di tensione che non corrisponde esattamente al rapporto delle spire fisiche presenti sugli avvolgimenti. I tester della serie AT includono la capacità di calcolare le spire dal rapporto di induttanza (TRL) che supera gli errori attribuibili alla perdita del nucleo e all'induttanza di dispersione.
Questa e altre considerazioni sul rapporto di virata sono descritte in una nota tecnica separata VPN: 104-113.

Figura 8 Esempio di schermata di immissione del test per Turns Ratio utilizzando il programma Editor.

10. SURG: test di sovratensione ad alta tensione

Garantisce che il materiale isolante attorno al filo di rame (solitamente laccato) non sia stato danneggiato durante la produzione introducendo il rischio di un cortocircuito tra gli avvolgimenti.
Unità di misura, mV Secondi. Intervallo da 1 mV a 1 kV con un livello di segnale a impulso da 100 V a 5 kV.
I trasformatori con un numero elevato di spire che utilizzano filo sottile sono vulnerabili ai danni all'isolamento. I danni al materiale isolante durante la produzione sono molto difficili da rilevare poiché potrebbe non esserci un cortocircuito totale e la tensione applicata durante i test sui giri non sarà sufficiente a colmare questo cortocircuito parziale. Tuttavia, durante il funzionamento all'interno del prodotto finito, il trasformatore è esposto a tensioni molto più elevate che possono causare un arco corona nel punto danneggiato oppure l'effetto di riscaldamento dell'uso normale può causare un cortocircuito dopo un breve periodo di tempo.

Collegando un condensatore carico all'interno dell'AT3600 all'avvolgimento di un trasformatore, l'avvolgimento è esposto a una tensione impulsiva e misurando l'area sotto l'oscillazione in decadimento, è possibile stabilire se si è verificata una rottura tra le spire dell'avvolgimento. Il diagramma seguente illustra il decadimento dell'oscillazione di un avvolgimento del trasformatore senza danni all'isolamento rispetto allo stesso avvolgimento con isolamento danneggiato.

Figura 9 Esempi di forme d'onda di picco

Calcolando il prodotto volt-secondo sotto la curva, l'AT3600 fornisce una quantità numerica in base alla quale stabilire componenti buoni o cattivi. Ciò offre il vantaggio del rilevamento delle svolte in cortocircuito utilizzando una tecnica di tensione a impulso, evitando al tempo stesso i potenziali errori inerenti all'interpretazione da parte dell'utente di forme d'onda complesse.

Figura 10 Esempio di schermata di immissione del test per Surge Stress utilizzando il programma Editor.

11. IR: Resistenza di isolamento

Garantisce che l'isolamento tra gli avvolgimenti soddisfi le specifiche richieste
Unità di misura, Ohm. Gamma da 1 MOhm a 100 GOhm con un livello di segnale da 100 V a 7 kV (AT5600 + AT3600) o 500 V (ATi).~
Utilizzando un generatore DC ad alta tensione e un sistema di misurazione della corrente DC, viene calcolato il valore della resistenza.

Figura 11 Esempio di schermata di immissione del test per la resistenza di isolamento utilizzando il programma Editor.

12. HPAC: test di sicurezza CA ad alta tensione

Garantisce che gli avvolgimenti siano posizionati correttamente con i materiali corretti per fornire il livello richiesto di isolamento di sicurezza.
Unità di misura, Ampere. Intervallo da 10uA a 10 mA con un livello di segnale da 100 V CA a 5 kV CA.
Tutti i trasformatori che forniscono isolamento da un sistema di alimentazione CA devono essere testati per confermare la loro capacità di resistere alle tensioni di prova di sicurezza senza guasti. Per soddisfare le normative sui test, è necessario fornire la prova che la tensione di prova viene mantenuta durante il periodo di prova e l'AT3600/AT5600 raggiunge questo obiettivo misurando e controllando la tensione applicata per tutta la durata del test.

Figura 12 Esempio di schermata di immissione del test per HPAC utilizzando il programma Editor.

13. Conclusioni sui test sulla ferrite

Si può vedere che la gamma appropriata di test fornirà la garanzia completa che tutti i materiali e i processi di produzione all'interno di un trasformatore siano corretti.
Ciò a sua volta garantirà che ogni singolo trasformatore testato soddisfi pienamente le specifiche richieste.
Test così approfonditi sono stati storicamente troppo costosi, troppo difficili o troppo dispendiosi in termini di tempo.
Tuttavia, i tester della serie AT forniscono una soluzione economica, facile da usare e veloce.
Il test completo mostrato sopra è stato eseguito dal tester AT a una velocità di 1,2 secondi, con il semplice tocco di un pulsante.

14. Vedi anche: