Вимірювання параметрів магнітопроводів резонансним методом.

Резонансний метод вимірювань може бути рекомендований до використання в домашній лабораторії поряд з методом вольтметра-амперметра. Його відрізняє точність і простота реалізації. Цим методом можуть бути отримані індуктивність, ємності обмоток, а також індуктивність розсіювання. Для вимірів потрібно генератор низької частоти і індикатор резонансу: мілівольтметр або осцилограф. Також може бути використаний комп'ютер зі звуковою платою.

Вимірювання індуктивності первинної (або пробної) обмотки.

Рис. 4.39. Схема для вимірювань резонансним методом.

Принцип вимірювання ілюструється рис. 4.39. Ключ S при вимірюванні індуктивності повинен бути розімкнений. Конденсатор З утворює з індуктивністю обмотки L послідовний коливальний контур з резонансною частотою

(4.81)

і характеристичним (хвилевим) опором

Визначивши резонансну частоту контуру F, можна розрахувати індуктивність котушки:

(4.82)

Попутно з реєстрацією частоти необхідно фіксувати напруга на котушці, воно знадобиться для розрахунку магнітної індукції. Формули розрахунку магнітної індукції за напругою на котушці наводилися раніше (4.66). Низькочастотний генератор достатньої потужності створює в контурі вимушені коливання. Коли частота генератора нижче резонансної, напруга на котушці набагато менше напруги генератора. При збігу частоти вимушених коливань з власною резонансною частотою LC-контура напруга на обмотці різко зростає. Виникає резонанс напруг. Струм, споживаний від генератора, при цьому мінімальний, а напруги на конденсаторі й індуктивності максимальні і протівофазни. Напруга може зростати у багато разів і досягати десятків і навіть сотень вольт. На частотах вище резонансної ємнісне опір прагне до нуля і напруга на котушці практично дорівнює напрузі генератора. Еквівалентна схема контуру (рис. 4.40) включає в себе, крім ємності й індуктивності, ще й вихідний опір генератора RL активний опір обмотки R Г . Досвід показує, що шунтуючих дією вимірювального приладу можна знехтувати практично завжди, оскільки його вхідний опір досить велике навіть у разі застосування найпростіших стрілочних тестерів.

Рис. 4.40. Еквівалентна схема до рис. 4.39.

Величина опорів R Г і RL надає сильний вплив на добротність контуру і є чинником, що обмежує область застосування методу. Позначимо суму всіх опорів, включених в контур R = R Г + RL. Добротністю електричного коливального контуру називається величина

(4.83)

обернено пропорційна ступеню загасання в контурі. Чим вище добротність, тим сильніше резонансне збільшення напруги на котушці. Типові значення індуктивності і опору первинної обмотки готового трансформатора L = 10 … 100 Гн, R L = 50 … 200 Ом. Приймемо вихідний опір генератора рівним 600 Ом. Хвильовий опір

контуру складе

тобто десятки кіло. Опір вимірювального приладу зазвичай становить не менше 50 кОм, тобто він не шунтується контур. Добротність контуру складе

це означає, що при

напрузі генератора 1 У резонансне напруга на котушці складе 15 … 35 В. Зафіксувати резонанс при цьому дуже легко. Додатковою зручністю є можливість застосування генераторів з низьким вихідним напругою. Якщо добротність мала, тобто активний опір порівнянно з хвильовим, то резонансний підйом практично відсутня, а зі збільшенням частоти напруга на котушці плавно збільшується з нуля до U. При Q <2 визначити частоту резонансу стає важко. Така ситуація виникає при вимірюванні малих індуктивностей пробних котушок. Для них характерні індуктивність менше 10 мГн і опір близько 1 Ом. З ємністю контуру 0,01 мкФ отримаємо хвильовий опір 1 кОм, що порівнянно з внутрішнім опором генератора. Резонансний підйом при цьому незначний і точність визначення частоти резонансу дуже низька. Для одиночних вимірів можна зменшити ємність до 1000 ПФ, резонанс буде виражений краще, але резонансна частота може досягти 50 кГц і вище. На цій частоті точність вимірювання знижується через вплив паразитних ємностей, втрат в осерді і т.д.

Індуктивність розсіювання.

Методом послідовного коливального контуру можна вимірювати індуктивність розсіювання трансформаторів. Для цього ключ S, рис. 4.39 замикається. Далі виробляються ті ж дії, що і при вимірюванні індуктивності, тобто шукається перший (нижній по частоті) резонанс, і по його частоті розраховується індуктивність контуру, що є в цьому випадку індуктивністю розсіювання трансформатора. При вимірах можуть виникнути труднощі, викликані малою добротністю контуру. На низькій частоті (десятки Герц) напруга на котушці близько до нуля. Для пошуку резонансу потрібно плавно перебудовувати частоту генератора до початку підвищення напруги. За вказаних на схемі номіналах елементів резонанс зазвичай наступає на частотах від 5 до 15 кГц. Цілком можливо, що резонансного піка не буде. У цьому випадку частотою налаштування можна вважати частоту, на якій напруга на котушці складе половину напруги на більш високих частотах, див. рис. 4.41. Звичайно, точність вимірювання при цьому буде дуже низька. Можна збільшити добротою

контуру, вибравши меншу ємність конденсатора, проте зменшувати ємність вимірювального конденсатора нижче 0,01 мкФ не варто. Типова ємність первинної обмотки вихідного трансформатора 1000 … 2000 пФ. Вимірювальний конденсатор повинен мати значно більшу ємність, щоб виключити вплив ємності обмотки.

Рис. 4.41. Визначення частоти настроювання при малій добротності.

У більшості випадків індуктивність розсіювання все-таки вдається виміряти резонансним методом, попутно з вимірюванням індуктивності. В іншому випадку слід скористатися методом вольтметра-амперметра. Найбільш цікаве застосування резонансного методу-вимір індуктивності обмоток та магнітної проникності сердечників у присутності струму підмагнічування при різних амплітудах змінної індукції. Схема установки наведена на рис. 4.42.

Рис. 4.42. Схема для вимірювань з підмагнічування постійним струмом. L – вимірювана індуктивність (дросель або обмотка трансформатора) L ДОП ~ – Допоміжний дросель

С – конденсатор 0,1 мкФ, 250 вольт

R – змінний резистор для регулювання струму підмагнічування. Напруга джерела живлення, яке буде потрібно для перевірки трансформатора у всьому діапазоні струмів підмагнічування U> 1 МАХ 1 • R L , Де R L – Сумарний опір всіх обмоток, включених

послідовно.

Для стенду потрібно генератор низької частоти з діапазоном 20Гц … 1кГц з напругою на виході в межах 0,1 … 10 В. Вольтметр може бути будь-яким, досить високоомним, з внутрішнім опором близько 50 … 100 кОм. Краще всього використовувати осцилограф, так як при вимірах з підмагнічування постійна складова буде маскувати резонанс на малих амплітудах змінної напруги. Відзначимо роль допоміжного дроселя L ДОП . Він застосовується при вимірюваннях з підмагнічування для запобігання шунтування коливального контуру L з малим вихідним опором джерела живлення. Природно, він повинен мати величину індуктивності значно більше вимірюваної, щоб не впливати на резонансну частоту контуру, або повинен мати відому залежність індуктивності від струму. Оскільки таке можливо не завжди, гарним рішенням буде використання другого примірника дроселя або трансформатора, повністю ідентичного вимірюваному. Обмотки по змінному струму включені паралельно і їх

сумарна індуктивність в цьому випадку зменшиться вдвічі. По постійному струму вони включені послідовно, тому при зміні підмагнічування їх параметри змінюються однаково. Для вимірювання індуктивності без підмагнічування слід:

1. Відключити джерело живлення від схеми.

2. Встановити напруга на виході генератора близько 1 В.

3. Змінюючи частоту настройки генератора F, знайти резонансний максимум напруги.

4. Обчислити індуктивність обмотки за формулою (4.82).

Вимірювання індуктивності з підмагнічування проводиться після підключення джерела живлення і виставлення необхідного струму підмагнічування. Розрахована за формулою (4.81) величина відповідає паралельно з'єднаним індуктивності:

(4.84)

Якщо в якості L ДОП використовувалася калібрована індуктивність, то необхідна величина індуктивності

(4.85)

а якщо були використані однакові вироби, то

(4.86)

Найбільш природним застосуванням цієї методики є перевірка трансформаторів, призначених для роботи в однотактний каскадах і дроселів на відповідність вимогам, закладених при розрахунку, а також підбір величини зазору. Однак трансформатори для двотактних каскадів бажано також випробовувати на цьому стенді при струмі підмагнічування не менше 10% від величини анодного струму в схемі. Індуктивність при цьому може падати досить значно. Те ж саме відноситься до вхідних і узгоджуються трансформаторів. Формально, постійна складова не повинна потрапляти в їх обмотки, тим не менше, в схемах завжди присутні струми витоків і разбалансов плечей. При підборі товщини немагнітних прокладки необхідно відключати підмагнічування (а часто і сигнал генератора) перед розмиканням магнітопровода. При роботі стенду не можна доторкатися до елементів схеми, тому що на них присутня досить висока напруга, а при відключенні підмагнічування виникає сильний кидок напруги самоіндукції. Критерієм підбору є максимальна індуктивність (або мінімальна частота резонансу) при робочому струмі підмагнічування. Зазор у магнітопровода вимірюваного і додаткового дроселів (трансформаторів) повинен змінюватися одночасно. Для цього можна використовувати смужки тонкого паперу відомої товщини.

Рис. 4.43. Вимірювання за допомогою паралельного контуру.

Різновид схеми вимірювання наведена на рис. 4.43. Тут конденсатор і котушка з'єднані паралельно, а вихідний опір генератора не входить в коливальний контур. Тому добротність контуру виявляється вищою, ніж у попередніх схемах. Це може виявитися важливим при вимірах параметрів пробних обмоток з малою індуктивністю. У такому контурі спостерігається резонанс струмів, тобто струми в конденсаторі й індуктивності рівні за величиною і протилежні по фазі. При цьому опір

контуру сильно зростає, а струм через контур практично припиняється. Напруга, реєстроване вольтметром, знижується. У цій схемі вимірювальний прилад фактично працює в режимі міліамперметра, тому більше підійдуть низькоомних (близько 2 … 5 кОм / В) стрілочні тестери. Фактором, який обмежує точність, також є активний опір обмотки. Котушки, що містять багато витків і намотані тонким дротом мають меншу добротність і резонанс виражений гірше.

Схеми, наведені вище, доцільно використовувати для дослідження властивостей невідомих магнітопроводів, або виготовленні декількох різнотипних трансформаторів. Однак для переважної більшості самоделиціков зручніше вимірювати параметри і настроювати вже готові трансформатори безпосередньо в схемі. Розглянемо трохи видозмінений ламповий однотактний каскад, рис. 4.44. Конденсатор З перетворює звичайний трансформаторний каскад в резонансний з частотою настроювання (4.81).

Рис. 4.44. Налаштування трансформатора у схемі.

Струм підмагнічування, тобто струм спокою каскаду, встановлюється підбором номіналу R2. На вхід каскаду подається напруга сигналу від генератора або звукової плати комп'ютера. Також як і в попередніх схемах, частота його зазвичай знаходиться в межах 50 … 300 Гц. Перебудовою частоти потрібно домогтися максимальної напруги на обмотці трансформатора. Вольтметр повинен мати опір не менш 50кОм, щоб не шунтувати високоомних ланцюг, яким є паралельний коливальний контур. Є ще дві точки, в яких можна контролювати наступ резонансу. Розмах змінної напруги на катоді лампи при резонансі мінімальний, тому що струм сигналу через лампу майже припиняється. Це можна побачити за допомогою осцилографа або вольтметра змінного струму (через перехідною конденсатор). Ще зручніше спостерігати резонанс за допомогою звукової плати комп'ютера – на вторинній обмотці трансформатора. Якщо вона може працювати в дуплексному режимі, завдання експериментатора помітно полегшується. Один з каналів плати служить для виведення напруги змінюється частоти, що подається на вхід схеми. Напруга з вторинної обмотки подається на другий канал плати. Програма Spectralab запускається в режимі вимірювання АЧХ. Частота резонансу визначається маркером. Якщо звукова плата не має дуплексних можливостей, можна записати сигнал качающейся частоти на магнітофон або CD-R.

Метою налаштування трансформатора є отримання мінімальної частоти резонансу, тобто максимальної індуктивності при заданому струмі підмагнічування. Регулювати величину зазору слід при вимкненому харчуванні. Стягувати сердечник при регулюванні штатними стяжками не обов'язково, це зробить магнітне поле підмагнічування. Завжди слід перевіряти поведінку трансформатора при струмі спокою, більшому номінального на 10 .. .20%. Індуктивність при цьому не повинна сильно зменшуватися.

© Є. Васильченко. 2003р.

© Видавництво Солон-Прес. 2003р.