Toto zařízení lze využít k testování saturačního proudu různých cívek, případně k určení parametrů neznámých jader. Testovací proud je do 50 A.
Schéma - výkonová část (klikněte pro plné rozlišení)
Výkonová část se skládá z kondenzátorové baterie (zde 6x 4700 µF) schopné po krátkou dobu dodat velký proud, budiče MOSFETů (R2-R5, Q1, Q2, C9), MOSFETů Q4, Q5, snímacího rezistoru R6, diody D2, detekce nadproudu (Q3 a součástky okolo). Ke konektoru J2 je připojená řídicí deska, k J3, J4 měřená indukčnost, ke konektoru J1 napájení (12-15 V z proudově omezeného zdroje).
Princip funkce: řídící deska přepne pin 2 (IN) konektoru J2 do log. 1. MOSFETy Q4, Q5 sepnou. Tranzistory Q1 a Q2 jsou zapojeny jako sledovače napětí, slouží jako proudové posílení pro rychlé sepnutí a vypnutí MOSFETů Q4, Q5. Proud měřenou indukčností začne růst a začne se tedy zvyšovat úbytek napětí na rezistoru R6. Toto napětí je snímáno osciloskopem (na konektoru J5) a nadproudovou ochranou (pokud přesáhne cca 600 mV (při I=60 A), sepne tranzistor Q3 a řídicí elektronika vypne svůj výstup, čímž se rozepnou MOSFETy Q4, Q5). Čím je indukčnost vyšší, tím proud roste pomaleji. Jakmile proud dosáhne určitě hodnoty a dojde k saturaci, proud začne růst rychleji. Snímací odpor musí být poměrně masivní (ačkoliv není střední proud moc vysoký, pulzní proud dosahuje ≥50 A), ale zároveň musí mít malou parazitní indukčnost. Výstupní napětí odpovídá 10 mV/A. Jakmile MOSFETy rozepnou, je potřeba omezit případnou napěťovou špičku. Na to slouží dioda D2 (musí snést velký špičkový proud!, je vhodné ji umístit na malý chladič), která ji omezí na cca 1 V - proud postupně klesne a energie z cívky se v diodě přemění na teplo. MOSFETy Q4, Q5 by měly mít malý odpor v sepnutém stavu. Všechny cesty vedoucí vyšší proud či rychlejší signály by měly být co nejkratší.
Indukčnost lze odhadnout dle vzorce L=U*Δt/ΔI, kde U odpovídá napětí na měřené cívce (přibližně rovno napájecímu napětí, ale u větších proudů přesnost sníží úbytek na samotném zařízení), Δt a ΔI odpovídají změně času a proudu - je-li zvolený nějaký bod naměřeného grafu na osciloskopu, ve kterém chceme určit indukčnost, zvolí se dva blízké body a vezme se rozdíl času a rozdíl napětí (ze kterého lze spočítat rozdíl proudu, uvažujme 10 mV/A) mezi těmito dvěma body. U digitálního osciloskopu lze použít kurzory.
Saturační proud lze určit také z naměřeného průběhu, jakmile začne proud od nějaké hodnoty prudce růst, měřená cívka se začíná při tom proudu saturovat.
Vodiče k měřené cívce musí být co nejkratší. Každý milimetr přidá cca 1-2 nH indukčnost.
Schéma - řídicí část (klikněte pro plné rozlišení)
Řídící část se skládá z oscilátoru, klopného obvodu, podpěťové ochrany, synchonizačního obvodu a dalších částí. K výkonové desce je připojena přes konektor J3.
Oscilátor je založený na integrovaném obvodu NE555 (U1), běží s velice nízkou střídou (aby nedošlo k přehřátí zařízení). Čas vypnutí je dán rezistory R3, R4. Ke konektoru J1 je připojen potenciometr 10 kΩ na nastavení délky pulzu, ke konektoru J2 je připojen malý vypínač na volbu kratší či delší (se sepnutým vypínačem) délky pulzu.
Klopný obvod U2a (CD4013) přepne svůj výstup do log. 1 na náběžné hraně výstupu z oscilátoru. Jeho RESET vstup má ovšem větší prioritu (pokud je v log. 1, nelze obvod přepnout do log. 1 pomocí C a D vstupů) a je aktivovatelný několika způsoby. Obvod okolo Q3 přes diodu D8 pustí do resetovacího vstupu krátký puls na sestupné hraně výstupu z oscilátoru, čímž výstup KO přepne do log. 0. Stejně tak ho vynuluje detekce nadproudu (pomocí Q1, D2, R5) či podpěťová ochrana (Q2 a další). Do série se Zenerovou diodou D4 je zařazen ještě vypínač pro deaktivaci zařízení (vypne generování pulzů). Výstup KO je přiveden do obvodu řízení MOSFETů na výkonové desce. Invertovaný výstup KO je s tvarovacím obvodem připojen ke konektoru J5. Krátké pulzy na tomto konektoru lze použít k synchronizaci osciloskopu. Pro zamezení problémům s jiným potenciálem zemí obou desek způsobujícím offset je možné použít u synchronizačního výstupu malý oddělovací signálový transformátorek (např. cca 10:10z na malém feritovém jádru). Druhá polovina U2 (U2b) je využita k signalizaci nadproudu - LED nechá rozsvícenou až do dalšího cyklu oscilátoru.
Kondenzátory C4, C6 by měly být umístěny blízko napájení příslušných IO.
Obě části jsou realizované na jednostranných DPS vyráběných fotocestou s kombinací SMD a THT součástek. U jedné desky jsem nechal měděné plochy příliš blízko montážním odporům, bylo nutné pod šrouby vložit plastovou izolaci. Celé zařízení je umístěno v plastové krabičce. Pro připojení osciloskopu jsou použité BNC konektory.
Úprava - březen 2021: do schématu byl přidán spínač SW1 a dioda D10, byly lehce pozměněny hodnoty některých součástek okolo Q3. Upravené soubory pro KiCad jsou zde, původní zde. Schémata zde v článku by nyní také měly mít vyšší kvalitu. Byla přidána i fotka spodní strany řídicí desky, pozor, může se lišit od výsledku, který by přinesla výroba z podkladů ke stažení, deska byla ještě upravována po výrobě a úpravy byly zaneseny do návrhu zpětně. Dále byla provedena úprava předního panelu - bylo přidáno stínění (měděná páska spojená s GND) pod potenciometr a přepínače, bohužel ale při úpravách došlo k mírnému natavení plastu.
Z naměřených hodnot lze spočítat:
- indukčnost L [H] = U*Δt/ΔI,
při navinutí malého počtu závitů na nějaké jádro:
- maximální magnetickou indukci Bmax [T] = U*I*Δt/(N*S*ΔI), z hodnot před bodem saturace, kde S je průřez jádra, N je počet závitů.
- permeabilitu jádra μabs = L*l/(N2*S), kde l je efektivní délka jádra. Pro získání relativní permeability μr lze vydělit permeabilitou vakua 4*π*10-7.
Do všech vzorců se dosazuje v základních jednotkách.
Vycházím ze vzorců uL(t) = diL(t)/dt, H=N*I/l, B=μ*H.
Indukčnost na závit lze spočítat vydělením indukčnosti druhou mocninou počtu závitů. Saturační proud pro cívku s jedním závitem lze zjistit vynásobením saturačního proudu počtem závitů - a následně lze získat saturační proud pro novou vícezávitovou cívku na stejném jádře vydělením tohoto proudu novým počtem závitů.
Celý přípravek (klikněte pro plné rozlišení)
Vnitřnosti (klikněte pro plné rozlišení)
Spodní strana řídicí desky (klikněte pro plné rozlišení)
Naměřený průběh (Isat≈15 A, L≈60 µH, 10 A/div, 8 μs/div) (klikněte pro plné rozlišení)
Upozornění - pokud se rozhodnete toto zařízení zkonstruovat, činíte tak na vlastní riziko.