確定磁芯B-H回路特性的虛擬儀器
[導(dǎo)讀]在設(shè)計(jì)含磁芯材料的電感元件時(shí)，工程師必須準(zhǔn)確測(cè)出該材料的特性。磁芯的動(dòng)態(tài)磁滯回路（或B-H曲線）包含了有關(guān)磁芯損耗和其它磁參數(shù)的有價(jià)值信息。
在設(shè)計(jì)含磁芯材料的電感元件時(shí)，工程師必須準(zhǔn)確測(cè)出該材料的特性。磁芯的動(dòng)態(tài)磁滯回路（或B-H曲線）包含了有關(guān)磁芯損耗和其它磁參數(shù)的有價(jià)值信息。不幸的是，商用的磁回路分析儀都很昂貴，不適合小規(guī)模研究實(shí)驗(yàn)室和制造商使用。本設(shè)計(jì)實(shí)例描述了一個(gè)虛擬儀器 style="TEXT-DECORATION: underline" >虛擬儀器，它采用一臺(tái)臺(tái)式或筆記本計(jì)算機(jī)，結(jié)合一個(gè)模擬數(shù)據(jù)采集卡和National Instruments（www.ni.com）的LabView軟件（7.1版以上）。使用時(shí)，軟件提取B-H回路信息、磁芯損耗以及其它磁性參數(shù)，測(cè)量費(fèi)用可以接受。
圖1顯示的是一個(gè)磁芯器件的測(cè)試裝備。器件T1包括一個(gè)磁芯材料樣品和兩個(gè)匝數(shù)相等的繞組。一只精密電流檢測(cè)電阻器R1用作激勵(lì)電流的采樣，該電流在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)。R1上的電壓降與激勵(lì)電流和磁場(chǎng)H成正比。由電阻器R2和電容器C1組成的網(wǎng)絡(luò)對(duì)二次繞組中產(chǎn)生的電壓作積分。C1上電壓與磁芯中的磁通密度B成正比。實(shí)際上，R2的值應(yīng)比工作頻率下電容器C1的阻抗大得多。（根據(jù)教科書對(duì)電路的說明，建議兩者的比率為100:1。）
元件的公差和特性都會(huì)影響測(cè)量的精度。R1要使用無(wú)感、額定功率合適、1%公差的1Ω電阻；C1要選用低泄漏、低介質(zhì)吸收、聚酯或聚丙烯薄膜電容，公差要嚴(yán)格。數(shù)據(jù)的獲取和查看使用由National Instruments 的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和LabView構(gòu)成的專用虛擬儀器。軟件使用了NI公司的Express VI（虛擬儀器）技術(shù)，極大地簡(jiǎn)化了用戶設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的采集與處理工作。該應(yīng)用程序只使用兩個(gè)數(shù)據(jù)采集模擬輸入通道：Channel 0采集磁場(chǎng)讀數(shù)（H），并以每米安匝的單位顯示在x-y圖的x軸上，而Channel 1則捕捉磁通密度B，以特斯拉(tesla)單位顯示在y軸上。
在低頻下，磁芯的磁滯損耗占主要地位，而在較高頻率下，渦流損耗則更加明顯。用瓦特表型算法可以計(jì)算出磁芯損耗，但也可將自己的算術(shù)表達(dá)式寫入VI塊圖的公式結(jié)點(diǎn)作替換。LabView還可以保存數(shù)據(jù)，并將結(jié)果輸出成微軟Excel數(shù)據(jù)表格式，或輸出到其它程序中作進(jìn)一步分析。
你可以用數(shù)據(jù)采集卡的八個(gè)差分模擬輸入通道的其它部分判定電感值。此時(shí)，要測(cè)量器件初級(jí)繞組上的電壓，并計(jì)算它的均方根值。電壓與通過R1測(cè)得的均方根電流的比值就確定了繞組標(biāo)量阻抗值XL的大小。然后，可以用下列公式計(jì)算出電感量：L=XL/2πf，其中，f表示所施加激勵(lì)電壓的頻率。
圖2是一個(gè)3B7混合型鐵氧體磁芯的磁滯曲線，初、次級(jí)繞組均為100匝，測(cè)量頻率為60 Hz。為了作比較，圖3顯示了一個(gè)繞在由顆粒取向硅鋼片構(gòu)成的環(huán)形磁芯上的100W電源變壓器的60 Hz磁滯曲線。環(huán)形磁芯較寬的回路表示更強(qiáng)的磁滯作用，這是飽和磁芯電源變換器要使用的特性。為了施加60 Hz激勵(lì)，可以用一個(gè)降壓（絕緣）變壓器驅(qū)動(dòng)器件的初級(jí)繞組，該降壓變壓器可用一個(gè)可調(diào)輸出自耦變壓器供電，如GenRad（www.ietlabs.com）的Variac。在獲得B-H曲線顯示時(shí)，逐漸增加初級(jí)電壓，直到磁滯回路的上、下部分平坦為止，此時(shí)表示進(jìn)入磁芯飽和。如果使用準(zhǔn)確的話，不需要作校正。但在評(píng)估磁芯材料時(shí)，可能需要用不同匝數(shù)作試驗(yàn)，從中獲得繞組的最佳安匝值。
在60Hz測(cè)試時(shí)，積分網(wǎng)絡(luò)中的 R2使用267kΩ公差1%的電阻器，C1使用1mF聚酯介質(zhì)電容器。根據(jù)匝數(shù)以及獲得有用輸出電壓所需電流，數(shù)伏的交流激勵(lì)電壓通常就足以完成測(cè)試。在較高頻率的磁芯測(cè)量中，將一個(gè)信號(hào)發(fā)生器連接到功率放大器上，并改變RC積分器中各元件的值，使之能在所需頻率下正常工作。雖然設(shè)備并未采用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出，但這個(gè)輸出可以作為功率放大器的一個(gè)正弦信號(hào)源。
請(qǐng)檢查你準(zhǔn)備使用采集卡的電氣規(guī)格，避免超出該卡的峰/峰差分電壓與共模輸入電壓。如果激勵(lì)電壓接近或超過卡的標(biāo)稱值，則要增加一個(gè)10:1的分壓器進(jìn)行限壓，并在軟件中增加一個(gè)因數(shù)為10的增益乘法器，以補(bǔ)償衰減器的損耗。
可以從下面網(wǎng)站下載本設(shè)計(jì)實(shí)例所載 VI 的副本www.circuitmentor.com/services.htm。亦可以從 NI 的網(wǎng)站獲得LabView的試用版www.ni.com。
圖1顯示的是一個(gè)磁芯器件的測(cè)試裝備。器件T1包括一個(gè)磁芯材料樣品和兩個(gè)匝數(shù)相等的繞組。一只精密電流檢測(cè)電阻器R1用作激勵(lì)電流的采樣，該電流在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)。R1上的電壓降與激勵(lì)電流和磁場(chǎng)H成正比。由電阻器R2和電容器C1組成的網(wǎng)絡(luò)對(duì)二次繞組中產(chǎn)生的電壓作積分。C1上電壓與磁芯中的磁通密度B成正比。實(shí)際上，R2的值應(yīng)比工作頻率下電容器C1的阻抗大得多。（根據(jù)教科書對(duì)電路的說明，建議兩者的比率為100:1。）
元件的公差和特性都會(huì)影響測(cè)量的精度。R1要使用無(wú)感、額定功率合適、1%公差的1Ω電阻；C1要選用低泄漏、低介質(zhì)吸收、聚酯或聚丙烯薄膜電容，公差要嚴(yán)格。數(shù)據(jù)的獲取和查看使用由National Instruments 的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和LabView構(gòu)成的專用虛擬儀器。軟件使用了NI公司的Express VI（虛擬儀器）技術(shù)，極大地簡(jiǎn)化了用戶設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的采集與處理工作。該應(yīng)用程序只使用兩個(gè)數(shù)據(jù)采集模擬輸入通道：Channel 0采集磁場(chǎng)讀數(shù)（H），并以每米安匝的單位顯示在x-y圖的x軸上，而Channel 1則捕捉磁通密度B，以特斯拉(tesla)單位顯示在y軸上。
在低頻下，磁芯的磁滯損耗占主要地位，而在較高頻率下，渦流損耗則更加明顯。用瓦特表型算法可以計(jì)算出磁芯損耗，但也可將自己的算術(shù)表達(dá)式寫入VI塊圖的公式結(jié)點(diǎn)作替換。LabView還可以保存數(shù)據(jù)，并將結(jié)果輸出成微軟Excel數(shù)據(jù)表格式，或輸出到其它程序中作進(jìn)一步分析。
你可以用數(shù)據(jù)采集卡的八個(gè)差分模擬輸入通道的其它部分判定電感值。此時(shí)，要測(cè)量器件初級(jí)繞組上的電壓，并計(jì)算它的均方根值。電壓與通過R1測(cè)得的均方根電流的比值就確定了繞組標(biāo)量阻抗值XL的大小。然后，可以用下列公式計(jì)算出電感量：L=XL/2πf，其中，f表示所施加激勵(lì)電壓的頻率。
圖2是一個(gè)3B7混合型鐵氧體磁芯的磁滯曲線，初、次級(jí)繞組均為100匝，測(cè)量頻率為60 Hz。為了作比較，圖3顯示了一個(gè)繞在由顆粒取向硅鋼片構(gòu)成的環(huán)形磁芯上的100W電源變壓器的60 Hz磁滯曲線。環(huán)形磁芯較寬的回路表示更強(qiáng)的磁滯作用，這是飽和磁芯電源變換器要使用的特性。為了施加60 Hz激勵(lì)，可以用一個(gè)降壓（絕緣）變壓器驅(qū)動(dòng)器件的初級(jí)繞組，該降壓變壓器可用一個(gè)可調(diào)輸出自耦變壓器供電，如GenRad（www.ietlabs.com）的Variac。在獲得B-H曲線顯示時(shí)，逐漸增加初級(jí)電壓，直到磁滯回路的上、下部分平坦為止，此時(shí)表示進(jìn)入磁芯飽和。如果使用準(zhǔn)確的話，不需要作校正。但在評(píng)估磁芯材料時(shí)，可能需要用不同匝數(shù)作試驗(yàn)，從中獲得繞組的最佳安匝值。
在60Hz測(cè)試時(shí)，積分網(wǎng)絡(luò)中的 R2使用267kΩ公差1%的電阻器，C1使用1mF聚酯介質(zhì)電容器。根據(jù)匝數(shù)以及獲得有用輸出電壓所需電流，數(shù)伏的交流激勵(lì)電壓通常就足以完成測(cè)試。在較高頻率的磁芯測(cè)量中，將一個(gè)信號(hào)發(fā)生器連接到功率放大器上，并改變RC積分器中各元件的值，使之能在所需頻率下正常工作。雖然設(shè)備并未采用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出，但這個(gè)輸出可以作為功率放大器的一個(gè)正弦信號(hào)源。
請(qǐng)檢查你準(zhǔn)備使用采集卡的電氣規(guī)格，避免超出該卡的峰/峰差分電壓與共模輸入電壓。如果激勵(lì)電壓接近或超過卡的標(biāo)稱值，則要增加一個(gè)10:1的分壓器進(jìn)行限壓，并在軟件中增加一個(gè)因數(shù)為10的增益乘法器，以補(bǔ)償衰減器的損耗。
可以從下面網(wǎng)站下載本設(shè)計(jì)實(shí)例所載 VI 的副本www.circuitmentor.com/services.htm。亦可以從 NI 的網(wǎng)站獲得LabView的試用版www.ni.com。
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