电感充放电波形分析

电感充放电波形分析在软件程序中1E置定时器中断控制开关组,只对电恳进行单向充电与放电，每个状态持续时间100监叩周期为2。0时，占空比为45,将电感放入圈3-11中被测电路队端，用示波器可观点到波形如图5-1所示.图5-1珥感充放电波形图FJg.5-1chargeanddiscMrgewavefbniiofLheinducior上图所显示的为电超充电与放电的电压与电流波尼图*其中所测地的电启为】mH,电路中直接测量电感两端的电压可一直接在示波器上显示〃因为示波器测量的是电压，不能直接避量电流，但可以通过在回崎中接入合适电晅，把回路电流转化为电阻上的电压，就可以通过示波器进肯观察和测量了，通过电感的充放电原理M知，电感内阻也影响电感对二极首的成电时间.为了不影嗾相时关系,弟联的电租必现绝对小.电帮中电流最大值为10。扣人串联电丽两端电压很小必领对两端电压堆行放大.因此电流的波形是在电感一端申联大小为0.3欧姆的电阻，其两端的电压放大1。0僭所显示的波形.波形兰现为两个周期，第一遒道显示的为电压液形「第二通道为电流波形，A、B、C利口为充电状态.放电状志对成E、F两段，&区呈现的是电感的瞬间增量电流tB区反映电噩变化，电压波形电流姓线性下降.其最后地压趋近于"卜电流趋近恒流麒信号卜从国中看出反相电压凳D限制，如果没有D,她反向冲量更大.随着£的减小，叱不足以击穿D的PN培时，出现阻尼振荡'也就是图3中的C区，仁区的电压电流部因为电感食身寄生电容的影响呈阻尼振荡〃最后逃入D区I□区有稳定的电届利电流，电感充电这到的最后直流状态/有磁通链审儿",电=*心卜顷”其中DCR为电感的贫流内阻.在放电阶段.E区是电惑存磕电渔，它经自身内阻的消耗府二概管放电，并维持其导通时间邛；F区是屯感能量不足以击穿PN姑而弓自.身寄生电容构成LC阻尼振薄，从波形上君主一要是电压振荡，电流儿乎为零°如果充放电氐期.T够冬，这个阻尼振荡会最终到零状态,开始下…个周期。从电感的完成电波形图中，叮旺明在前文姐理分析是正硬的,电感的自身的数值可通过放电时间「口利□推导出,（1）直流内阻〃.对电感放电时间f的影响电感直流内阻DCR是电感内部参数，通过前文理论分析可知，A放电阶段，电感相当于与自身内阻串联，并对二极管进行放电，电感内阻会损耗部分盛场能量，会对仪器测量I。产生影响，从而影响屯感值。选取大小为823mH的工字型电感作为主要参考标准，通过LCR电桥测试其内阻电阻为662.7mQ,实验中所选电桥测量仪型号为日置HIOKI3532-50,其浏试频率可在42Hz〜5MHz宽广频率量程内以4位精确度自由调格，操作非莒简便，改变设置时通过触模屏星，况需的设定通项会原序挂列显示出米。为了分析宜流电阻对电感放电时间毋响，电路中将不问大小的电阻与参考电感相申联，放在测量电路心的位置上，设置输出的频率（采样频率设置为而〃，占空比为0.5）,在显示薜上观察相应的N值（每累计20*遂加一个计数值），串联电阳心、放电时间冲放如表5.1所示。表5-1串联电阻与电感放电时间数据对比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上表中所示电感爵=823、真流电阻Rs=0.662Q,为所选顼率为10kHz,笑过LCR电桥标称过得数值.,N=】4403是在电感不串接任何电阻时所测得的放电时间邛=旦尹，其中们为正向放电时间，弓为反向放电时间。从表中可看出，放电时间和串联电阻呈现一定的规律，随着串联电阻即的不断增大，放电时间N值是不断域小，其表现关系如图5・2所示。140000呻2|。放电rn间和电0O12000O010000・%8000O。。60C0%。。0-Oc4000°Q>O.....C051。15202530图5.2串联电阻与放电时间关系图Fig5・2Seriesresistanceandthedischargetimediagram从前文原理以及充放电波形图分析可知，只要在在电感充电稳定期间可测量出电感稳定直流电压，通过计算可得到电感宜流内阻O=也，其测金结果分析如表5.2所示.表5・2瓜与o数据对比Tab.5-2ThedatacompareofRsandrLRsRQ)。（。）Err届（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&为电感内阻与表5・1中电阻知串联，经LCR电桥测垣出的标称阻值。o为经仪器测量所显示的阻值，误差Err=Rs~rL.从表中所示数据可以看出，实际测量:电感内阻。与电桥测的阻值处误差很小，因此在电感充电稳定期间，即在第二状态（正向电感内阻测

量状态）方法是正确的。在稳定状态其测量为电感内阻上的电压，ADC采样结果的变动一般不会超过土3mV,即±1个LSB（精确值是3V/1024=2.93mV）,当去除以流过电感内阻稳定恒流源100mA时，最低的精度为29.3mQ,能够满足测量所需要求。MATLAB拟合后的电感内阻绝对误差曲线如图5-3所示。Fig.5-3Theabsoluteerrorofcurvefittingofinternalresistancemeasurementofinductance（2）不同磁导率检测分析众所周知，磁导率U姑磁性材料的一个关键性指标，对于不同磁性材料其对应的磁导率也是各不相同的，在此对对不同破导率的电感在放电时所对应的七进行了测量。实软中选用了初始磁导率分别为60、100、200电感骨架，电感线圈选取了直径为0.2mm的铜制导线其匝数从11-38匝，测得不同磁导率、匝数以及放电时间N（每20ns-个计数）数据如表5-3所示。表5・3不同磁导率对N值对比Tab.5-3TheNvalueofdifferentpermeabilitycontrast起始磁导率60H/m起始磁导率100H/m起始磁导率200H/m匝数电桥值N值电桥值WpHN值电桥值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

将表5-3中所示数据通过MATLAB进行仿真，其结果如图5・4所示。在图中可以明显观察到，在相同匝数（相同电感内阻）的情况下，不同微性材料其磁导率的数值越大，对应的电感值就越大，放电时间乌,（N值）也会越长，磁导率与放电时间^呈正比关系。图5.4不同磁导率放电时间对比Fig.5-4ThecomparisonofDifferentmagneticpermeability'sdischargetime（3）不同电感类型检测分析通过电感内阻对放电时间邛的影响和磁导率的检测分析，可知在测量不同类型电感时,所得电感关于和、的计算关系式是各不相同.仪器测试中选取了三种不同类型的电感,分别为工字型电感、镣环型电感、铁粉磁环电感，仪器测得相关数据如表5.4所示。表5X三种电感的测量数据Tab.5-4Themeasuringdataofthreetypesofinductance工字型电硬镣环型电感铁粉磁环型电感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在表中人为电桥实测电感值，N为测也电感放电有效时间功，々为本误题所设计仪器波盾的电感内阻值，将表中数据通过MATLAB进行曲线拟合，可得到其拟合后的计算公式为：f(x9y)=aQ+arx+a2y(5-1)公式中X和*分别对应电感测量中的々和N,工字型电感的计算公式为：Zx=9.125-258.9x4-0.06649)(5-2)其中%=9.125,为=25&9,a2^0.06649,拟合图形如图5・5所示。图5・5匚字用电感拟合曲线图Fig.5-5ThefittingcurveofHinductor探环型电感的计算公式为：Lx=2.258-683x+0.05416y其中匈=2258,位=683,处=0・05我6,拟合图形如图5・6所示。图5.6裸环型电感拟合曲线图Fig.5-6Thefittingcurveofnickelringinductor铁粉磁环型电感的计算公式为：Lx=7.771-170x+0.04008y（5-4）其中心=7.77/,3=17。,y0.04008,拟合图形如图5・7所示。图5・7铁粉磁环型电感拟合曲线图Fig.5-7Thefittingcurveofironpowder,magneticringtypeinductance・将最后MATLAB拟合得到的三种电感类型计算公式写入单片机中，最终在屏幕中显示的结果汁为妇，Ls为经HIOKI3532.50电桥测得的数值，为电桥测量结果与本课题仪器显示结果相减的误差，所测量结果均根据上述三种电感拟合曲线公式计算出的，其对比结果如表5-5所示。表5-5三类电感的测量结果对比Tab.5-5TheMeasurementresultscompareofthreetypesofinductance工字型电感锲环电感铁粉磁环电感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通过工宇型电感、裸环型电感以及铁粉磁环屯感的测试结果看出，测量电感在100gH左右的小电感其测试结果误差在±5%以内。F面针对工字型电感值在lOOgH-lmH范围内的，针对其电感内阻较大，选取工字型电感的拟合计算公式，将仪器的液晶显示器测量数据记荥下来。同样，Zs为电桥实测值，小为本仪器测量出的读数，Err=Ls・Lx,如表5.6所示。衣5.6工字型电感DCR较大时测哉的结果对比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