De meeste LCR-meters meten componenten met een stroomsterkte van slechts enkele milliampères. Voor condensatoren en weerstanden is dit prima, maar de zelfinductie (en de eigenschappen in het algemeen) van vermogens-zelfinducties variëren met de (DC-)stroomsterkte. Om deze invloed van de stroom op de zelfinductie te testen, heb je slechts een senseweerstand met een zeer geringe waarde nodig, plus een stabiele voeding die een forse uitgangsstroom kan leveren. Dit principe is door de jaren heen op talloze manieren toegepast. Een vermogensschakelaar (vaak een MOSFET) en een pulsgenerator zijn nodig om de spanning over de spoel uit te schakelen voordat deze te hoog wordt. We gebruiken een oscilloscoop om de stroom door de spoel te controleren. Deze schakeling staat op zichzelf. De maximale stroom is instelbaar, en er is voorzien in een triggersignaal voor de oscilloscoop. Er is geen externe pulsgenerator nodig. Dankzij de speciaal ontworpen print blijft de weerstand tussen voeding, spoel, MOSFET en sense-weerstand minimaal.
 

Measuring Power Inductors - The power inductor PCB design
 

De schakeling

In het schema van figuur 1 worden twee timers van een CMOS 4538 gebruikt. De timing van een 4538 wordt bepaald door de RC-constante (in dit geval R8/C3, R9/C4). Voor IC2A betekent dit 1 µF x 1 MΩ = 1 s. IC2A activeert MOSFET T3 éénmaal per seconde. De tweede timer wordt gebruikt om de tijd die de MOSFET geleidt te beperken tot 1 ms. Als een langere maximumpuls nodig is, moet de waarde van R9 navenant worden vergroot. Met deze zeer korte inschakelduur is er geen koellichaam nodig voor T3 en D3. Een snelle rail-to-rail I/O-opamp (IC1) van het type AD8032 houdt de stroom door de 10mΩ-senseweerstand R4 in de gaten. Hij is geconfigureerd als comparator: als de spanning over R4 hoger is dan de met P1 ingestelde spanning, wordt de uitgang van IC1A laag en wordt IC2B gereset en de MOSFET wordt uitgeschakeld. Tegelijkertijd wordt IC2A getriggerd: uitgang Q (pin 6) wordt hoog en levert een triggersignaal voor de oscilloscoop op K2. Na één seconde wordt /Q hoog en activeert IC2B. T3 schakelt dan in voor de volgende meetcyclus. De stroom door de spoel gaat weer toenemen en het proces wordt herhaald.
 
Measuring power inductors - the inductor meter
Figuur 1. Het schema van de zelfinductiemeter.

De twee timers zijn geconfigureerd als niet-hertriggerbaar. Uitgang Q van IC2A is aangesloten op zijn +TR-ingang, en /Q van IC2B op de –TR-ingang om storingen te voorkomen die de pulsen zouden verlengen. C10 is gemonteerd om de resetpuls van IC2B te verlengen, maar vooral de triggerpuls van IC2A. Diens ingangsniveau moet lager zijn dan de resetpuls om de triggering te activeren. Bij een lage stroominstelling (P1) – en zonder C10 – zou de uitgang van IC1A niet laag genoeg worden om IC2A te triggeren. Als er bij het opstarten geen triggerpuls is, kan met drukknop S1 de meting worden gestart. T1 en T2 worden gebruikt om T3 sneller te schakelen. De gatestroom en de parasitaire capaciteit van de te testen spoel veroorzaken een spanningspiek over R4. Dit heeft geen invloed op de meting.

Voorbeeld

Als voorbeeld hebben we een vermogens-zelfinductie van Murata Power Solutions getest (type 1433445C, 330 µH, gespecificeerd voor een maximale gelijkstroom van 4,5 A). De datasheet vermeldt alleen voor alle spoelen uit deze serie dat de gespecificeerde maximale gelijkstroom optreedt waar de inductantie afneemt tot 60% of bij een temperatuurstijging van 50 °C (afhankelijk van wat het eerst optreedt). De meting in figuur 2 laat zien dat de kern bij ongeveer 10 A begint te verzadigen. Dat is interessant om te weten over deze (of andere) spoel. Het betekent dat de component kan worden gebruikt in toepassingen met zich langzaam herhalende grote stroompulsen tot 10 A zonder dat de zelfinductie daaronder te lijden heeft. Maar zorg er altijd voor dat de gelijkstroom door de spoel nooit groter wordt dan de waarde die in de datasheet staat! De schakeling is ontworpen voor iets meer dan 15 A.

 
measurement cycle - Measuring Power Inductors
Figuur 2. Een meetcyclus op het scherm van een ’scoop. Het rode spoor is de stroom door de spoel, het blauwe is het triggersignaal.

Het beste is om een voeding met tenminste deze maximale stroom te gebruiken om er zeker van te zijn dat de spanning niet inzakt; dat zou de nauwkeurigheid van de meting beïnvloeden. De voeding is voor de zekerheid ontkoppeld met drie condensatoren met een zeer lage ESR (C7/C8/C9). In de praktijk is het gebruik van een voeding met minder uitgangsstroom natuurlijk een mogelijkheid – dat moet je helemaal zelf weten. Er is een snelle zekering van 15 A toegevoegd voor de veiligheid in het geval van kortsluiting in de MOSFET. Een nadeel is de extra spanningsval over de zekering. De meeste vermogens-zelfinducties hebben een waarde van een paar honderd µH en de piekstroom duurt erg kort. Gebruik dikke draden om de Lx- en 12V-aansluitingen op de print te verbinden met de te testen spoel en de voeding. Als alternatief kunnen twee draden parallel worden aangesloten op de twee 1,4mm-gaten in de footprints op de print.


Op de ’scoopfoto is het rode trace de stroom door de spoel met 5 A/div, en het blauwe spoor is het signaal op de triggeruitgang. De glitch aan het begin wordt veroorzaakt door het inschakelen van de MOSFET en is deels te wijten aan het opladen van de gatecapaciteit en gedeeltelijk aan de parasitaire capaciteit van de spoel.

Met de bekende formule voor de spanning over een spoel kan worden berekend hoe lang het duurt voordat de stroom de door P1 ingestelde waarde bereikt:
 

eq 1 power inductor

Herschrijven levert:

eq 2 power inductor

Wanneer een vermogensspoel wordt aangesloten op een 12V-voeding, zal de stroom lineair met de tijd toenemen, zolang de kern niet verzadigt. De tijd om een stroom van 10 A te bereiken door een spoel van 330 µH bedraagt 275 µs. Omgekeerd kunnen we ook de werkelijke inductantie berekenen uit de tijd die op de oscilloscoop wordt weergegeven zodra 10 A wordt bereikt (290 µs). De inductantie is dan U x dt/dI, dus 348 µH.
 

power inductor PCB - Measuring Power Inductors
Figuur 3. De print-layout.

Print

Voor dit project is een print ontworpen; de Gerber-bestanden kunnen worden gedownload van [1]. Om de print van figuur 3 klein te houden, zijn sommige aansluitingen aan beide zijden van de print parallel aangebracht om de weerstand van de meetlus zo klein mogelijk te houden. De toegepaste MOSFET is een IRFB7545PBF in TO-220 behuizing, met een RDS(on) van ongeveer 5 mΩ. De totale weerstand van de MOSFET en senseweerstand bedraagt ongeveer 15 mΩ; bij 15 A is de spanningsval 0,23 V, wanneer we geen rekening houden met de koperverliezen van de printsporen en aansluitdraden. De vrijloopdiode om de spanningspiek te onderdrukken wanneer de MOSFET wordt uitgeschakeld, is een MBR1645 die een gemiddelde stroom van 16 A en een sperspanning van 45 V verdraagt. De maximale voedingsspanning voor de opamp is 12 V, en dat is dan meteen de maximale spanning voor deze schakeling. Hoewel de maximale stroom door de te testen spoel hoog is, bedraagt de gemiddelde voedingsstroom slechts een paar mA.

Vragen of opmerkingen?

Hebt u technische vragen of opmerkingen naar aanleiding van dit artikel? Stuur een e-mail naar de auteur via Ton.Giesberts@elektor.com of naar de redactie van Elektor via redactie@elektor.com.

Noot van de redactie: Dit artikel verscheen oorspronkelijk in Elektor Summer Circuits 2022.

Onderdelenlijst

Weerstanden:
R1 = 68 k, 0,25 W, 5%
R2 = 4k7, 0,25 W, 5%
R3 = 100 Ω, 0,25 W, 5%
R4 = 0,01 Ω, 5 W, 10%, radiaal, inductie-arm, steek 9 mm (Fukushima Futaba MPC75)
R5 = 49,9 Ω, 0,25 W, 1%
R6 = 1 k, 0,25 W, 5%
R7 = 47 Ω, 0,25 W, 5%
R8 = 1 M, 0,25 W, 5%
R9 = 10 k, 0,25 W , 5 %
P1 = instelpot liggend 1 k, (Piher PT10LV10-102A2020-S)
 
Condensatoren:
C1,C2,C4,C5,C6 = 100 n/50 V, X7R, steek 5,08 mm
C3 = 1 µ/63 V, PET, steek 5/7,5 mm
C7,C8,C9 = 3300 µ/16 V, Ø 12,5 mm, steek 5 mm, 3,4 A, 15 mΩ (Rubycon 16ZL3300MEFC12.5X35)
C10 = 220 n/63 V, PET, steek 5 mm
 
Halfgeleiders:
D1,D2 = 1N4148, DO-35
D3 = MBR1645, 2-pin TO-220
T1 = BC337, 800 mA, TO-92
T2 = BC327, 800 mA, TO-92
T3 = IRFB7545PbF, 4,9 mΩ, 95 A, 60 V, TO-220
IC1 = AD8032ANZ, DIP-8
IC2 = 4538, DIP-16
 
Overige:
K1,K2 = BNC-connector, printmontage, haaks, jack, 50 Ω
K3 = 3-polige pinheader, 3x1, verticaal, raster 2,54 mm
F1 = 2 zekeringclips, 20 A, Littelfuse 01000020Z, voor 5 x 20 mm
F1 = zekering 5 x 20 mm, 15 A, snel
S1 = drukknop, SPST, momentcontact
S1,Lx,voeding = 10 x soldeerstift, 1,3 mm (Ettinger 13.14.419)
1 x 8-pins DIP-voetje voor IC1
1 x 16-pins DIP-voetje voor IC2