電感充放電波形分析

電感充放電波形分析在軟件程序中1E置定時(shí)器中斷控制開(kāi)關(guān)組,只對(duì)電懇進(jìn)行單向充電與放電，每個(gè)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間100監(jiān)叩周期為2。0時(shí)，占空比為45,將電感放入圈3-11中被測(cè)電路隊(duì)端，用示波器可觀(guān)點(diǎn)到波形如圖5-1所示.圖5-1珥感充放電波形圖FJg.5-1chargeanddiscMrgewavefbniiofLheinducior上圖所顯示的為電超充電與放電的電壓與電流波尼圖*其中所測(cè)地的電啟為】mH,電路中直接測(cè)量電感兩端的電壓可一直接在示波器上顯示〃因?yàn)槭静ㄆ鳒y(cè)量的是電壓，不能直接避量電流，但可以通過(guò)在回崎中接入合適電晅，把回路電流轉(zhuǎn)化為電阻上的電壓，就可以通過(guò)示波器進(jìn)肯觀(guān)察和測(cè)量了，通過(guò)電感的充放電原理M知，電感內(nèi)阻也影響電感對(duì)二極首的成電時(shí)間.為了不影嗾相時(shí)關(guān)系,弟聯(lián)的電租必現(xiàn)絕對(duì)小.電幫中電流最大值為10?？廴舜?lián)電麗兩端電壓很小必領(lǐng)對(duì)兩端電壓堆行放大.因此電流的波形是在電感一端申聯(lián)大小為0.3歐姆的電阻，其兩端的電壓放大1。0僭所顯示的波形.波形蘭現(xiàn)為兩個(gè)周期，第一遒道顯示的為電壓液形「第二通道為電流波形，A、B、C利口為充電狀態(tài).放電狀志對(duì)成E、F兩段，&區(qū)呈現(xiàn)的是電感的瞬間增量電流tB區(qū)反映電噩變化，電壓波形電流姓線(xiàn)性下降.其最后地壓趨近于"卜電流趨近恒流麒信號(hào)卜從國(guó)中看出反相電壓凳D限制，如果沒(méi)有D,她反向沖量更大.隨著￡的減小，叱不足以擊穿D的PN培時(shí)，出現(xiàn)阻尼振蕩'也就是圖3中的C區(qū)，仁區(qū)的電壓電流部因?yàn)殡姼惺成砑纳娙莸挠绊懗首枘嵴袷帯ㄗ詈筇尤隓區(qū)I□區(qū)有穩(wěn)定的電屆利電流，電感充電這到的最后直流狀態(tài)/有磁通鏈審兒",電=*心卜頃”其中DCR為電感的貧流內(nèi)阻.在放電階段.E區(qū)是電惑存磕電漁，它經(jīng)自身內(nèi)阻的消耗府二概管放電，并維持其導(dǎo)通時(shí)間邛；F區(qū)是屯感能量不足以擊穿PN姑而弓自.身寄生電容構(gòu)成LC阻尼振薄，從波形上君主一要是電壓振蕩，電流兒乎為零°如果充放電氐期.T夠冬，這個(gè)阻尼振蕩會(huì)最終到零狀態(tài),開(kāi)始下…個(gè)周期。從電感的完成電波形圖中，叮旺明在前文姐理分析是正硬的,電感的自身的數(shù)值可通過(guò)放電時(shí)間「口利□推導(dǎo)出,（1）直流內(nèi)阻〃.對(duì)電感放電時(shí)間f的影響電感直流內(nèi)阻DCR是電感內(nèi)部參數(shù)，通過(guò)前文理論分析可知，A放電階段，電感相當(dāng)于與自身內(nèi)阻串聯(lián)，并對(duì)二極管進(jìn)行放電，電感內(nèi)阻會(huì)損耗部分盛場(chǎng)能量，會(huì)對(duì)儀器測(cè)量I。產(chǎn)生影響，從而影響屯感值。選取大小為823mH的工字型電感作為主要參考標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)LCR電橋測(cè)試其內(nèi)阻電阻為662.7mQ,實(shí)驗(yàn)中所選電橋測(cè)量?jī)x型號(hào)為日置HIOKI3532-50,其瀏試頻率可在42Hz?5MHz寬廣頻率量程內(nèi)以4位精確度自由調(diào)格，操作非莒簡(jiǎn)便，改變?cè)O(shè)置時(shí)通過(guò)觸模屏星，況需的設(shè)定通項(xiàng)會(huì)原序掛列顯示出米。為了分析宜流電阻對(duì)電感放電時(shí)間毋響，電路中將不問(wèn)大小的電阻與參考電感相申聯(lián)，放在測(cè)量電路心的位置上，設(shè)置輸出的頻率（采樣頻率設(shè)置為而〃，占空比為0.5）,在顯示薜上觀(guān)察相應(yīng)的N值（每累計(jì)20*遂加一個(gè)計(jì)數(shù)值），串聯(lián)電陽(yáng)心、放電時(shí)間沖放如表5.1所示。表5-1串聯(lián)電阻與電感放電時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.5-1ThedatacontrastofSeriesresistanceandinductancedischargetime必823〃〃Rs=0.662QN=14403Rp(Q)N/23sRp(Q)N/20混0.2141377512.20960440.7101283512.52S57941.2021201614.68355162.2141098016.22；52534.4879011)7.91048504.962869920.11345535.929824322.15842498.329719724.23640119.214687824.563396210.177669225.36$3894上表中所示電感爵=823、真流電阻Rs=0.662Q,為所選頊率為10kHz,笑過(guò)LCR電橋標(biāo)稱(chēng)過(guò)得數(shù)值.,N=】4403是在電感不串接任何電阻時(shí)所測(cè)得的放電時(shí)間邛=旦尹，其中們?yōu)檎蚍烹姇r(shí)間，弓為反向放電時(shí)間。從表中可看出，放電時(shí)間和串聯(lián)電阻呈現(xiàn)一定的規(guī)律，隨著串聯(lián)電阻即的不斷增大，放電時(shí)間N值是不斷域小，其表現(xiàn)關(guān)系如圖5?2所示。140000呻2|。放電rn間和電0O12000O010000?%8000O。。60C0%。。0-Oc4000°Q>O.....C051。15202530圖5.2串聯(lián)電阻與放電時(shí)間關(guān)系圖Fig5?2Seriesresistanceandthedischargetimediagram從前文原理以及充放電波形圖分析可知，只要在在電感充電穩(wěn)定期間可測(cè)量出電感穩(wěn)定直流電壓，通過(guò)計(jì)算可得到電感宜流內(nèi)阻O=也，其測(cè)金結(jié)果分析如表5.2所示.表5?2瓜與o數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.5-2ThedatacompareofRsandrLRsRQ)。（。）Err屆（Q）Q（Q）Err0.6220.6150.00710.83910.841-0.0020.8760.879-0.00312.87112.8610.0101.3721.3480.02413.19013.1800.0101.8641.8460.01815.34515.348-00032.8762.8710.00516.88516.904-00195.1495.1270.02218.57218.574-00025.6245.625-0.00120.77520.7710.0046.5916.5910.00022.82022.8160.0048.9918.9940.00324.89824.8960.0039.8769.8730.00323.22523.2180.007在表中&為電感內(nèi)阻與表5?1中電阻知串聯(lián)，經(jīng)LCR電橋測(cè)垣出的標(biāo)稱(chēng)阻值。o為經(jīng)儀器測(cè)量所顯示的阻值，誤差Err=Rs~rL.從表中所示數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際測(cè)量:電感內(nèi)阻。與電橋測(cè)的阻值處誤差很小，因此在電感充電穩(wěn)定期間，即在第二狀態(tài)（正向電感內(nèi)阻測(cè)

量狀態(tài)）方法是正確的。在穩(wěn)定狀態(tài)其測(cè)量為電感內(nèi)阻上的電壓，ADC采樣結(jié)果的變動(dòng)一般不會(huì)超過(guò)土3mV,即±1個(gè)LSB（精確值是3V/1024=2.93mV）,當(dāng)去除以流過(guò)電感內(nèi)阻穩(wěn)定恒流源100mA時(shí)，最低的精度為29.3mQ,能夠滿(mǎn)足測(cè)量所需要求。MATLAB擬合后的電感內(nèi)阻絕對(duì)誤差曲線(xiàn)如圖5-3所示。Fig.5-3Theabsoluteerrorofcurvefittingofinternalresistancemeasurementofinductance（2）不同磁導(dǎo)率檢測(cè)分析眾所周知，磁導(dǎo)率U姑磁性材料的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，對(duì)于不同磁性材料其對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率也是各不相同的，在此對(duì)對(duì)不同破導(dǎo)率的電感在放電時(shí)所對(duì)應(yīng)的七進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)軟中選用了初始磁導(dǎo)率分別為60、100、200電感骨架，電感線(xiàn)圈選取了直徑為0.2mm的銅制導(dǎo)線(xiàn)其匝數(shù)從11-38匝，測(cè)得不同磁導(dǎo)率、匝數(shù)以及放電時(shí)間N（每20ns-個(gè)計(jì)數(shù)）數(shù)據(jù)如表5-3所示。表5?3不同磁導(dǎo)率對(duì)N值對(duì)比Tab.5-3TheNvalueofdifferentpermeabilitycontrast起始磁導(dǎo)率60H/m起始磁導(dǎo)率100H/m起始磁導(dǎo)率200H/m匝數(shù)電橋值N值電橋值WpHN值電橋值N值117.6316212.4722721.784611412.2222818.2831234.327561717.5631125.3545049.6210972024.4741333.2860167.0714722330.4952042.7775887.8319442637.6563053.511021110.9025182944.6976465.731277138.0^31303252.3392079.711601167.1338103563.17105895.652021200.7344873871.511202】12.662678235.765145

將表5-3中所示數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖5?4所示。在圖中可以明顯觀(guān)察到，在相同匝數(shù)（相同電感內(nèi)阻）的情況下，不同微性材料其磁導(dǎo)率的數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)的電感值就越大，放電時(shí)間烏,（N值）也會(huì)越長(zhǎng)，磁導(dǎo)率與放電時(shí)間^呈正比關(guān)系。圖5.4不同磁導(dǎo)率放電時(shí)間對(duì)比Fig.5-4ThecomparisonofDifferentmagneticpermeability'sdischargetime（3）不同電感類(lèi)型檢測(cè)分析通過(guò)電感內(nèi)阻對(duì)放電時(shí)間邛的影響和磁導(dǎo)率的檢測(cè)分析，可知在測(cè)量不同類(lèi)型電感時(shí),所得電感關(guān)于和、的計(jì)算關(guān)系式是各不相同.儀器測(cè)試中選取了三種不同類(lèi)型的電感,分別為工字型電感、鐐環(huán)型電感、鐵粉磁環(huán)電感，儀器測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)如表5.4所示。表5X三種電感的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.5-4Themeasuringdataofthreetypesofinductance工字型電硬鐐環(huán)型電感鐵粉磁環(huán)型電感Ls!\MN/20nsrJQ5HN/2QnsMHNfZOnsrL/Q13.11900.02918.74890.02919.64400.02918.7267002931.08230.02924.85470.02939.06670.05840.110850.02929.56540.05844.0802005850.413460.02936.77430.05851.0860005868.416320.02944.08220.05866.11016005881.219900.05854.910950.05878.21315008797.623860.05870.113780.08787.515380087113.228060.05893.120830.087103.817220087122.532610.087102.424890.116137.625020146130.837090.087119.029350.146在表中人為電橋?qū)崪y(cè)電感值，N為測(cè)也電感放電有效時(shí)間功，々為本誤題所設(shè)計(jì)儀器波盾的電感內(nèi)阻值，將表中數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，可得到其擬合后的計(jì)算公式為：f(x9y)=aQ+arx+a2y(5-1)公式中X和*分別對(duì)應(yīng)電感測(cè)量中的々和N,工字型電感的計(jì)算公式為：Zx=9.125-258.9x4-0.06649)(5-2)其中%=9.125,為=25&9,a2^0.06649,擬合圖形如圖5?5所示。圖5?5匚字用電感擬合曲線(xiàn)圖Fig.5-5ThefittingcurveofHinductor探環(huán)型電感的計(jì)算公式為：Lx=2.258-683x+0.05416y其中匈=2258,位=683,處=0?05我6,擬合圖形如圖5?6所示。圖5.6裸環(huán)型電感擬合曲線(xiàn)圖Fig.5-6Thefittingcurveofnickelringinductor鐵粉磁環(huán)型電感的計(jì)算公式為：Lx=7.771-170x+0.04008y（5-4）其中心=7.77/,3=17。,y0.04008,擬合圖形如圖5?7所示。圖5?7鐵粉磁環(huán)型電感擬合曲線(xiàn)圖Fig.5-7Thefittingcurveofironpowder,magneticringtypeinductance?將最后MATLAB擬合得到的三種電感類(lèi)型計(jì)算公式寫(xiě)入單片機(jī)中，最終在屏幕中顯示的結(jié)果汁為婦，Ls為經(jīng)HIOKI3532.50電橋測(cè)得的數(shù)值，為電橋測(cè)量結(jié)果與本課題儀器顯示結(jié)果相減的誤差，所測(cè)量結(jié)果均根據(jù)上述三種電感擬合曲線(xiàn)公式計(jì)算出的，其對(duì)比結(jié)果如表5-5所示。表5-5三類(lèi)電感的測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.5-5TheMeasurementresultscompareofthreetypesofinductance工字型電感鍥環(huán)電感鐵粉磁環(huán)電感Ls/pHMHErrgH5HErr5<HErr13.114.2-1.118.719.4-0.719.619.7?0.118719.4-0.731.029.41.624.825.2-0.439038.40.640.141.2-0.929.529.20.344043.50.550.452.3?2.】36.737.1P.451.050.20.868.470.8-1.644.045.7-1.766.163.72.481.280.60.654.954.30.678.276.91397.698.8-1.270.168.71.387.587.7-0.2113.2113.4-0.293.193.60.5103.8101.02.8122.5119.92.6102.4103.5-1.1131.6137.20.4130.8128.61.6119.0122.1-0.2通過(guò)工宇型電感、裸環(huán)型電感以及鐵粉磁環(huán)屯感的測(cè)試結(jié)果看出，測(cè)量電感在100gH左右的小電感其測(cè)試結(jié)果誤差在±5%以?xún)?nèi)。F面針對(duì)工字型電感值在lOOgH-lmH范圍內(nèi)的，針對(duì)其電感內(nèi)阻較大，選取工字型電感的擬合計(jì)算公式，將儀器的液晶顯示器測(cè)量數(shù)據(jù)記滎下來(lái)。同樣，Zs為電橋?qū)崪y(cè)值，小為本儀器測(cè)量出的讀數(shù)，Err=Ls?Lx,如表5.6所示。衣5.6工字型電感DCR較大時(shí)測(cè)哉的結(jié)果對(duì)比Tab.5-6ComparisonofHshapedinductancelargeDCRmeasurementresultsLs伸A720ns5Lx/^WErr5H.V/20nsErr96.216410.08795.60.6560.3112030.469586.6-26.3101.117430.087102.5-1.4641.2122670.760628.9133179.332100.156184.1-3.8756.1146100.929740.615.5300.351320.221295.25J799.0167391.140827.4-27.4298.153860.177301.7-3.6894.5179431.198892.02.5353.862360.246360.9-7.1951.9185711.052942.39.6481.375020.146471.59.81001.3199851.36