Suggerimenti per i test sui trasformatori in ferrite

1. Introduzione al test dei trasformatori in ferrite

Poiché i prodotti elettronici sfruttano 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 l'esigenza di trasformatori più piccoli, progettati per funzionare a frequenze più elevate, il che comporta requisiti aggiuntivi sia per quanto riguarda i metodi di produzione che di collaudo.

Questi problemi riguardano un'ampia gamma di applicazioni comuni, tra cui alimentatori a commutazione, reattori di illuminazione, inverter, apparecchiature audio e per telecomunicazioni e molto altro ancora.
L'attuale esigenza di comprovate prestazioni di tutti i componenti di un prodotto ha portato alla richiesta che ogni singolo trasformatore venga sottoposto a test più approfonditi di quanto tradizionalmente previsto.
Nelle pagine seguenti prenderemo in esame la gamma di test appropriati per testare approfonditamente i progetti di trasformatori in ferrite e inizieremo con una panoramica dei componenti presenti in un trasformatore comune.

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 della figura 1, si può vedere che anche il più semplice dei trasformatori include una combinazione piuttosto complessa di componenti resistivi e reattivi.
Per stabilire con certezza che un trasformatore è stato fabbricato correttamente, è necessario eseguire una serie di test che, combinati, forniscono la garanzia che i materiali utilizzati e il processo di fabbricazione eseguito diano luogo a trasformatori che soddisfano le specifiche di progettazione.

2. R: Resistenza

Garantisce che lo spessore 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, assicurando che non vi siano avvolgimenti con uno spessore di rame insufficiente a trasportare la corrente richiesta.

3. LS: Induttanza in serie

Garantisce che sia stato utilizzato il materiale di base 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 @ 20 Hz a 3 MHz.
Diversi materiali del nucleo presentano una permeabilità diversa e quindi un diverso valore di induttanza per un numero specifico 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.

4. 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 del segnale da 1 mV a 5 V @ 20 Hz a 3 MHz
Il fattore di qualità rappresenta l'efficienza di un induttore come rapporto tra energia immagazzinata ed energia sprecata ed è derivato dall'equazione L / (R SQRT(LC) ). Si può vedere che valori Q più alti si ottengono quando la componente induttiva è grande rispetto alle componenti resistive e capacitive.

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

5. 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. Campo di misura da -360° a +360° con un livello del segnale da 1 mV a 5 V @ 20 Hz a 3 MHz.
Per i trasformatori in applicazioni che operano su un'ampia gamma di frequenze, ad esempio i 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 è comunemente indicata come Z (impedenza totale).
All'aumentare della frequenza applicata su un induttore, l'impedenza aumenta e l'angolo di fase dell'impedenza diminuisce fino al punto di auto-risonanza; 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 l'angolo di fase utilizzando il programma Editor.

6. LL: Induttanza di dispersione

Garantisce che gli avvolgimenti siano posizionati correttamente sulla bobina e che qualsiasi spazio d'aria incluso nella progettazione 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 @ 20 Hz a 3 MHz

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

7. C: Capacità di avvolgimento intermedio

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 @ 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.

8. TR: Rapporto di sterzata

Garantisce che il numero di spire su ciascun avvolgimento e la polarità dell'avvolgimento siano conformi alle specifiche.
Unità di misura, rapporto decimale. Da 1:100 k a 100 k:1 con un livello del segnale da 1 mV a 5 V @ 20 Hz a 3 MHz
Il rapporto di spire viene misurato per stabilire che il numero di spire sugli avvolgimenti primari e secondari sia corretto e quindi che le tensioni secondarie richieste siano raggiunte quando il trasformatore è in uso. È importante ricordare che le varie perdite del trasformatore mostrate nella figura 1 daranno luogo a un rapporto di tensione che non corrisponde esattamente al rapporto di 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 il rapporto di spire utilizzando il programma Editor.

9. SURG: Test di sovratensione ad alta tensione

Garantisce che il materiale isolante attorno al filo di rame (solitamente lacca) non sia stato danneggiato durante la fabbricazione, introducendo il rischio di un cortocircuito tra gli avvolgimenti.
Unità di misura, mV Secondi. Intervallo da 1 mVs a 1 kVs con un livello del segnale impulsivo da 100V a 5kV.
I trasformatori con un elevato numero di spire che utilizzano fili sottili 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 il test delle spire 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 di danno o 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 a un avvolgimento del trasformatore, l'avvolgimento viene 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 l'oscillazione in decadimento di un avvolgimento del trasformatore senza danni all'isolamento rispetto allo stesso avvolgimento con isolamento danneggiato.

Figura 9 Esempi di forme d'onda di sovratensione

Calcolando il prodotto volt-secondo sotto la curva, l'AT3600 fornisce una quantità numerica con cui stabilire componenti buoni o cattivi. Ciò offre il vantaggio di rilevare spire in cortocircuito utilizzando una tecnica di tensione impulsiva, evitando al contempo 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.

10. IR: Resistenza di isolamento

Garantisce che l'isolamento tra gli avvolgimenti soddisfi le specifiche richieste
Unità di misura, Ohm. Intervallo 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 di alta tensione CC e un sistema di misurazione della corrente CC, viene calcolato il valore della resistenza.

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

11. HPAC: test di sicurezza ad alta tensione CA

Garantisce che gli avvolgimenti siano posizionati correttamente e realizzati con i materiali corretti per fornire il livello di isolamento di sicurezza richiesto.
Unità di misura, Ampere. Campo di misura da 10uA a 10 mA con un livello del 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 di prova, è necessario fornire la prova che la tensione di prova viene mantenuta durante il periodo di prova e l'AT3600/AT5600 ottiene questo risultato misurando e controllando la tensione applicata per tutta la durata completa della prova.

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

12. Conclusioni del test sulla ferrite

Come si può notare, un'adeguata gamma di test fornirà la garanzia assoluta 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.
In passato, test così approfonditi si sono rivelati troppo costosi, troppo difficili o troppo lunghi.
Tuttavia i tester della serie AT forniscono una soluzione conveniente, 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: