Cómo medir la inductancia y otras características de una bobina o inductor
Este artículo dará consejos prácticos y teóricos sobre cómo medir la inductancia de bobinas o inductores. Aunque el artículo se referirá a funciones y especificaciones basadas en los medidores LCR y analizadores de impedancia de Hioki que se enumeran a continuación, muchos de los consejos también se pueden aplicar a productos similares.
Tabla 1: Aplicaciones de producción en masa
| Modelo | Frecuencia de medición | Características |
|---|---|---|
| IM3533 | CC, 40 Hz a 200 kHz | Función de corrección de temperatura de Rdc |
| IM3536 | CC, 4 Hz a 8 MHz | Analizador modelo estándar, de alta velocidad, altamente estable y rentable |
| IM7581 | 100 kHz a 300 MHz | Medición de alta velocidad de bobinas para alta frecuencia |
Tabla 2: Investigación y Desarrollo
| Modelo | Frecuencia de medición | Características |
|---|---|---|
| IM3570 | CC, 4 Hz a 5 MHz | Barrido de frecuencia con modo analizador |
Antes de comenzar... el problema central
Antes de entrar en cómo medir bobinas o inductores, hay una distinción importante de los tipos de bobina que debe abordarse: el "problema central", se puede decir. Esta discusión es importante porque los tipos de bobina en lo que respecta al núcleo tienen una influencia definitiva en la medición. Las bobinas pueden no tener núcleo (con un "núcleo de aire" o un núcleo hecho de un material no magnético), o pueden tener un núcleo hecho de un material magnético como ferrita o hierro. Al medir la inductancia, es importante conocer el tipo de núcleo porque la cantidad de corriente que fluye a través de la bobina afectará la inductancia de los dos tipos de manera diferente.
Ejemplo de configuración de medición
A continuación se muestra un ejemplo de la configuración de un medidor LCR cuando se configura manualmente para medir la inductancia de una bobina común. (La configuración óptima variará bobina por bobina).
Tabla 3: Ajustes de medición
| Parámetros | Ls, Q, Rdc |
|---|---|
| Frecuencia | Frecuencia autorresonante o menos |
| sesgo de CC | APAGADO (no se puede medir cuando se configura en ENCENDIDO) |
| Nivel de señal | Modo CC (corriente constante), corriente nominal o menos |
| Rango de medición | AUTO |
| Velocidad | LENTO2 |
| Modo LowZ | APAGADO |
Configuración de la frecuencia de medición
El fenómeno de la resonancia LC con la propia inductancia y la capacitancia parásita de la bobina se conoce como autorresonancia. La frecuencia a la que se produce la resonancia propia se conoce como "frecuencia de resonancia propia". Cuando evalúe bobinas, asegúrese de calcular la frecuencia de resonancia propia y mida L y Q a una frecuencia que sea lo suficientemente más baja que la frecuencia de resonancia propia. Esta frecuencia se puede determinar realizando mediciones y encontrando un rango de frecuencia en el que la inductancia se alinee (consulte la Fig. 1).
La impedancia de una bobina, que generalmente aumenta con la frecuencia, se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
Z = j2πfL
Para medir la inductancia de manera eficiente mientras varía la frecuencia, configure el rango de medición en AUTO. Sin embargo, la mejor forma de medir la inductancia con un mayor grado de precisión es establecer la frecuencia en el rango de frecuencia antes mencionado en el que la inductancia sea consistente.
Configuración del nivel de corriente de medición
La corriente de medición se puede calcular a partir del voltaje de terminal abierto, la impedancia de salida del instrumento y la impedancia del objetivo de medición. Para calcular esto, se puede usar una aproximación de la impedancia de la bobina.
- *1: La impedancia de salida varía en función del modelo de medidor LCR y de si se ha activado el modo de alta precisión de baja impedancia. Consulte las especificaciones del producto en el manual de instrucciones.
También es importante configurar el voltaje de medición para que no se exceda la corriente nominal de la bobina.
Cuando se mide una bobina que muestra dependencia de la corriente (es decir, una bobina con un núcleo magnético), se debe configurar el instrumento para generar un nivel de corriente tal que el núcleo magnético no esté saturado. Uno puede determinar el nivel de corriente correcto, una vez más, midiendo realmente la inductancia, pero esta vez variando el nivel de corriente. El nivel actual en el que la inductancia se aplana, es una vez más el nivel que debe usarse.
Al medir una bobina que no presenta dependencia de la corriente (es decir, una bobina de aire o una bobina no magnética), se recomienda configurar el instrumento al nivel de corriente con la mayor precisión. Para la serie IM3500, la mejor precisión se logra con la configuración de 1 V del modo V. Con la serie IM7580, el nivel de la señal de medición es el ajuste con la mejor precisión, +1 dBm.
Al medir una bobina con un núcleo magnético o una bobina con una corriente nominal baja, el modo CC (corriente constante) de la serie IM3500 es conveniente. La corriente de medición se controla mediante software para que permanezca constante.
Selección de Ls o Lp
En términos generales, se usa un modo de circuito equivalente en serie (Ls) cuando se miden elementos de baja impedancia (aproximadamente 100 Ω o menos), y un modo de circuito equivalente en paralelo (Lp) cuando se miden elementos de alta impedancia (aproximadamente 10 kΩ o más). ). La Fig. 4 da una imagen aproximada de qué circuito equivalente usar (cuando el factor de disipación D de la bobina es lo suficientemente pequeño). Cuando no esté claro cuál es el modo de circuito equivalente adecuado, por ejemplo, al medir una muestra con una impedancia de aproximadamente 100 Ω a 10 kΩ, consulte con el fabricante del componente.
Fig. 4: Impedancia en función de la frecuencia
Bobinas de baja inductancia: Rp puede ignorarse ya que la impedancia es baja. Seleccionar modos de circuito equivalente en serie.
Bobinas de alta inductancia: Rs puede ignorarse ya que la impedancia es alta. Seleccionar modos de circuito equivalente en serie.
Un inductor se comportará como si la pérdida en el cobre del devanado Rs y la pérdida en el núcleo Rp se hubieran conectado a un inductor ideal L. La reactancia de una bobina ideal (XL) se puede calcular de la siguiente manera: XL = j2πfL. Aunque depende de la magnitud de Rs y Rp, en general se puede afirmar que las bobinas de baja inductancia se caracterizan por un pequeño XL, lo que permite que la impedancia cuando Rp y L se colocan en paralelo se trate como aproximadamente equivalente a XL. Rs no se puede ignorar ya que Ls es pequeño, la configuración se puede tratar como un circuito equivalente en serie. Por el contrario, cuando la impedancia es alta, Rp no se puede ignorar, pero Rs sí, por lo que la configuración se puede tratar como un circuito paralelo equivalente.
Medición de Rcc
En la evaluación de la bobina, se miden la inductancia L, el factor de calidad Q y la resistencia de CC Rdc. Los instrumentos como el IM3533 y el IM3536 pueden medir L, Q y Rdc sin necesidad de utilizar ningún otro dispositivo. Después de medir L y Q con una señal de CA, miden Rdc con una señal de CC (ver Fig. 5).
*(Rs y Rp no son iguales a Rdc. Rs y Rp son valores de resistencia que se miden con una señal de CA. Incluyen componentes como la pérdida de la bobina y la resistencia del devanado, que aumenta debido a los efectos de la piel del conductor y los efectos de proximidad).
Cuando el material del devanado tiene un coeficiente de temperatura grande, Rdc variará con la temperatura. El IM3533 tiene funcionalidad de corrección de temperatura para Rdc.
Configuración del tiempo de retardo
Para reducir el error de medición durante la medición de Rdc, los medidores LCR Hioki activan y desactivan el voltaje generado para cancelar la compensación interna (función de ajuste de CC). Consulte la figura 6.
Cuando el voltaje que se aplica al inductor cambia, la resistencia de salida y la resistencia e inductancia en serie equivalentes del inductor provocan fenómenos transitorios (consulte la Fig. 7). Establezca un tiempo de retraso lo suficientemente largo durante la medición de Rdc para garantizar que los resultados de la medición no se vean afectados por estos fenómenos. El nombre dado a la configuración del tiempo de retardo varía según el modelo, al igual que el tiempo de medición. Para obtener más información, consulte el manual de instrucciones del modelo que desea utilizar. Si no está seguro del tiempo de retardo adecuado, establezca primero un tiempo de retardo lo más largo posible. Luego, reduzca gradualmente el tiempo de retardo mientras verifica que los valores medidos no presenten ninguna variabilidad.
Características de superposición de CC
Un tipo de características de la bobina son las características de superposición de CC, que indican hasta qué punto la inductancia disminuye en relación con la corriente de CC. Esto se convierte en un elemento de evaluación importante para las bobinas utilizadas en circuitos que manejan grandes corrientes, como los circuitos de suministro de energía (consulte la Fig. 8). Aunque los medidores LCR como los medidores Hioki LCR tienen una función de aplicación de voltaje de polarización de CC, no pueden aplicar la corriente de CC necesaria para realizar esta medición porque esta función está diseñada para usarse en la medición de capacitores. Para superponer una señal de CC, utilice la Unidad de corriente de polarización de CC 9269 (o 9269-10) y una fuente de alimentación externa, o cree su propio circuito para tal fin.
Finalmente
De esta forma, se necesitan muchos factores y conocimientos previos para medir las características eléctricas de bobinas o inductores. Esperamos que este artículo haya sido útil para el lector y le pedimos que se una a Hioki en el avance de la tecnología para un futuro más rentable y sostenible.
