Gleichstromdrosseln – Hintergrund und Messungen

1, Was ist DC Bias und wann sollte es getestet werden?

Im Zusammenhang mit einem Transformator oder einer Drossel beschreibt die Gleichstromvorspannung ein Konstantstromelement, das dem Wechselstromsignal hinzugefügt wird.
Viele gewickelte Komponenten müssen mit Gleichströmen 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.

Für größtmögliche Sicherheit sollten Sie jedoch prüfen, ob eine Gleichstromvorspannung vorhanden ist, und ein Gleichstromvorspannungsgerät wie DC1000A verwenden, um den korrekten Betrieb in jedem einzelnen Bereich zu gewährleisten.
Der Voltech AT5600 ermöglicht die Integration von DC1000A und die automatische Prüfung der DC-Leistung.

2, Schwachstrom- und Hochstromanwendungen

In einigen Fällen ist der DC-Vorspannungsstrom gering (unter 400 mA).
Wie zum Beispiel bei Telekommunikationstransformatoren, bei denen eine Wicklung in Reihe mit der Gleichstromversorgung des Telefons geschaltet ist.
In anderen Fällen ist der DC-Vorspannungsstrom viel größer, beispielsweise bei Induktivitäten, die als Ausgangsfilter in Netzteilen verwendet werden:

In all diesen Fällen muss das gewickelte Bauteil eine bestimmte Induktivität beibehalten, während der Nennstrom D in der Wicklung fließt.

3, Designüberlegungen

Magnetische Materialien wie Eisen und Ferrit haben im Allgemeinen einen hohen Permeabilitätswert, dh eine Spule mit einer bestimmten Windungszahl weist in Luft eine viel größere Induktivität auf als der gleiche Kern.

Eine gewickelte Komponente mit einem hochpermeablen Kern weist jedoch eine sehr steile BH-Kurve auf und kann daher nur einen sehr kleinen DC-Vorspannungsstrom tolerieren, da der Kern sonst in die Sättigung gerät.

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

Um eine Spule herzustellen, die mit höheren Gleichstrom-Vorstromwerten betrieben werden kann, ist es notwendig, die Permeabilität des Kerns zu verringern.
Dies geschieht durch die Einführung von Luftspalten im Magnetkreis, entweder durch einen physikalischen Abstand oder durch die Verwendung eines Kerns aus einem Verbund aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialien (wodurch der Effekt von Luftspalten entsteht).
Kerne mit Luftspalten haben eine viel geringere Gesamtpermeabilität und können viel größere Gleichströme tolerieren, bevor sie in die Sättigung gehen:

4, DC-Bias-Test

4.1 Kerne für kleine DC-Vorströme

Gewickelte Komponenten für kleine DC-Vorströme werden im Allgemeinen mit Kernen mittlerer bis hoher Permeabilität aufgebaut.
Der Wert der Permeabilität 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) der Spezifikationen des Kernherstellers widerspiegelt.
Diese Schwankung der Induktivität führt dazu, dass einige Spulen den angegebenen Gleichstrom-Vorstrom tolerieren können und andere nicht:

Der einzige sichere Weg, um zu überprüfen, ob die Spule mit dem angegebenen Gleichstrom betrieben werden kann, ist die Messung der Induktivität Wenn dieser kleine Gleichstrom fließt , stellen Sie sicher, dass die Induktivität mindestens dem angegebenen Mindestwert entspricht.
Die integrierten LSB LPB- und ZB- Tests des AT5600 ermöglichen eine Gleichstromvorspannung von bis zu 1 Ampere, ohne dass eine externe Vorspannungsquelle erforderlich ist.

4.2 Kerne für größere DC-Vorströme

Wie bereits erwähnt, haben Spulen für höhere DC-Vorspannungsströme (größer als 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 in die Sättigung geht, was während der Entwurfsphase festgelegt wird, ist der Induktivitätswert für jeden Transformator mit oder ohne angelegter Gleichstromvorspannung gleich.

Um dies zu veranschaulichen, zeigt die folgende Grafik Induktivitätsmessungen, die vom Transformator in der Tabelle oben ohne Gleichstromvorspannung erhalten wurden, im Vergleich zum gleichen Transformator mit angelegter angegebener Gleichstromvorspannung.

Bei Kernen mit größeren Luftspalten werden die Permeabilität und damit die Induktivität hauptsächlich durch die Größe des Luftspalts bestimmt und werden durch Schwankungen im Kernmaterial viel weniger beeinflusst.

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

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

5, Schlussfolgerungen zum DC-Bias

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

Eine niedrige Permeabilität ist wichtig, um zu verhindern, dass der Kern mit einem großen Gleichstrom gesättigt wird.

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

Ein Kern mit hoher Permeabilität kann einen Steilheits- oder Induktivitätswert mit einer großen Toleranz aufweisen.

Die geringe Permeabilität von Kernen mit Luftspalt oder aus Eisenpulver führt dazu, dass diese Kerne eine Induktivität aufweisen, die in sehr engen Grenzen spezifiziert werden kann.

Bei der Konstruktionsprüfung muss unbedingt sichergestellt werden, dass eine Gleichstromdrossel bei Nenngleichstrom die richtige Induktivität aufweist.

Bei Produktionstests können jedoch einige Gleichstromdrosseln durch Überprüfen der Induktivität ohne Gleichstromvorspannung getestet werden. Durch die Festlegung enger Grenzwerte wird jedoch sichergestellt, dass der Kern die richtigen Windungen und damit die richtige Steigung aufweist, um die erforderliche Induktivität bei dem angegebenen Gleichstrom zu erzielen .

6, Siehe auch