電子變壓器參數(shù)測試基礎(chǔ)
引 言
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對越來越多的電子產(chǎn)品提出了減小體積和改善效率的要求。提高電子電路的工作頻率是滿足此要求的zui便捷的方法，由于使用鐵氧體磁芯制作的變壓器可以工作于較高的頻率，且隨著磁性材料工藝的發(fā)展這一趨勢仍在繼續(xù)，因此，設(shè)計(jì)用在更高頻率工作的鐵氧體磁芯變壓器的使用比例越來越大。變壓器制造廠家必須滿足這一要求，使所設(shè)計(jì)的變壓器能以較小的體積工作于更高的頻率。本文介紹了方便、準(zhǔn)確和快捷地對該類變壓器進(jìn)行各種參數(shù)測試的方法。
本文所討論的問題廣泛適用于多種應(yīng)用高頻變壓器領(lǐng)域，例如：開關(guān)電源（Switched Power Supplies）、電子整流器（Lighting Ballasts）、逆變驅(qū)動(dòng)器（Inverter Driver）、音頻設(shè)備(Audio Equipment)及通訊設(shè)備(ecommunication Equipment)等等。為了獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段所給定的性能要求，需要對每一個(gè)變壓器所涉及的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的測試，而在傳統(tǒng)測試中需使用多種設(shè)備進(jìn)行繁瑣的測試過程方能進(jìn)行一次完整的測試，這對需要速度和效率的現(xiàn)代生產(chǎn)來說是*不能適應(yīng)的。
本文討論了用于描述鐵氧體變壓器完整的參數(shù)測試方法。
 
電子變壓器參數(shù)組成：
圖1（A）表示一個(gè)zui簡單的雙繞組變壓器，然而這一zui簡單的電子變壓器包含了極其復(fù)雜的參數(shù)組成，如圖1（B）所示為一實(shí)際變壓器各參數(shù)成分組成的等效電路。
 


從圖1（B）可以看出，即使zui簡單的變壓器也包含有極為復(fù)雜電阻和電抗元件。其中：
Rps：表示初級繞組的引線電阻（銅阻），以串聯(lián)方式存在于初級繞組；
Rss：表示次級繞組的引線電阻（銅阻），以串聯(lián)方式存在于次級繞組；
Rcl：表示磁芯存在的磁芯損耗和變壓器骨架、引出線等的絕緣電阻的綜合，以并聯(lián)方式存在于初級繞組。
Lk：漏電感，是主繞組電感磁通量中未耦合至次級部分磁通量所構(gòu)成的電感；
Ciw：初、次級繞組間存在的的分布電容；
Cin：同繞組兩端呈現(xiàn)得分布電容；見是由于繞組內(nèi)相互靠近的導(dǎo)線產(chǎn)生的靜電耦合所引起的。
Ls：初級中耦合至次級磁通量構(gòu)成的電感；
Lp：次級電感；
Np：Ns：初、次級繞線圈數(shù)比。
變壓器的性能、質(zhì)量涉及有關(guān)材料、制造工藝等多個(gè)方面，如漆包線、骨架、繞線方式、引出線方式、磁芯材料、磁芯氣隙、焊接材料、灌封材料等。
為了保證變壓器是由合適的材料、正確的工藝方法所制造的，有必要對該變壓器的各種參數(shù)進(jìn)行全面的測試，以證實(shí)所使用的材料和制造工藝滿足該變壓器設(shè)計(jì)指標(biāo)所提出的要求。
理論上說，變壓器是電感器的一種zui終產(chǎn)品，因此變壓器測量基本采用與電感器測量同樣的技術(shù)。以下說明變壓器關(guān)鍵參數(shù)的性質(zhì)及大致的測量方法。
參數(shù)測試
 Pin Short：引腳短路
測量目的：保證變壓器正確地固定于骨架上和繞線端子具有良好的完整性?？蓪ψ儔浩魅我鈨梢_間進(jìn)行該項(xiàng)測試。
測量項(xiàng)目：直流電阻DCR
測量范圍：10Ω--100MΩ
 
變壓器測試時(shí)推薦首先執(zhí)行這一測試項(xiàng)目，操作人員可在主要參數(shù)測試執(zhí)行前便判斷出是否存在引腳連接缺陷，避免不正確的變壓器混入批次測量，且節(jié)省了時(shí)間。
Rps、Rss：初、次級引線電阻
測量目的：保證每一繞組使用正確的漆包線規(guī)格。
測量項(xiàng)目：直流電阻DCR
測量范圍：1mΩ--100MΩ
 
對所有繞組進(jìn)行單獨(dú)測試，防止任何繞組由于漆包線規(guī)格不足使其不能承受足夠的電流。
Lp、Ls：初、次級串聯(lián)電感
測量目的：確保使用了正確的磁性材料及繞組圈數(shù)的正確性
測量項(xiàng)目：串聯(lián)電感量Ls
測量范圍：10nH—100kH
信號電平:
5mV—2V
@20Hz—300kHz，
直流偏置：0—100mA/0—1A
 
不同的磁性材料、機(jī)械尺寸呈現(xiàn)出不同的磁導(dǎo)率。因此，當(dāng)繞線圈數(shù)一定時(shí)，磁導(dǎo)率不同電感量也不同。，在繞線圈數(shù)一定的情況下，電感量提供了評估磁性材料的測量能力，使磁性材料在未飽和的情況下能保持所需的磁通量。
另外，電感量的測試可在不加直流偏置和加直流偏置兩種條件下進(jìn)行。加直流偏置用于檢驗(yàn)磁芯的磁飽和特性或?qū)嶋H工作條件下磁芯特性。
ACR：交流等效電阻
測量目的：檢查使用正確的磁性材料、繞組圈數(shù)及漆包線規(guī)格
測量項(xiàng)目：交流串聯(lián)電阻Rs
測量范圍：10µH—100MΩ
信號電平:
5mV—2V
@20Hz—300kHz，
 
交流電阻ACR反映了銅線電阻Rs加上磁滯損耗及渦流損耗產(chǎn)生的等效電阻Rcl。
Q：品質(zhì)因素
測量目的：保證磁性材料及其裝配過程的準(zhǔn)確性
測量項(xiàng)目：品質(zhì)因數(shù)Q
測量范圍：0.0001—10000
信號電平：5mV—2V @20Hz—300kHz
 
品質(zhì)因素表示了電感器的效率，其含義為該電感器存儲能量與消耗能量之比。準(zhǔn)確的說由于繞組分布電容的存在，，可以看出當(dāng)變壓器的電感成分比電阻和電容成分大得多是就會(huì)有較高的Q值。
θ：阻抗相位角
測量目的：保證磁性材料、繞線電阻、圈數(shù)以及繞組間電容等的組合滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。
測量項(xiàng)目：阻抗相位角
測量范圍：-180--+180º DEG

-3.14159--+3.14159 RAD
信號電平：5mV—2V @20Hz—300kHz
 
對于變壓器的應(yīng)用來說，變壓器工作于很寬的頻率范圍，例如：音頻變壓器，設(shè)計(jì)者或生產(chǎn)部門必須測量阻抗的相位角。阻抗是一矢量，由實(shí)數(shù)部分（電阻R）和虛數(shù)部分（感抗或容抗，統(tǒng)稱為電抗X）組成，Z=R+jX。當(dāng)對一實(shí)際電感器施加的信號頻率增加時(shí)，阻抗也將增加，由于電感器中分布電容的存在，電抗將不會(huì)線性增加，相位角將逐漸下降直至0º（自諧振點(diǎn)），在此諧振點(diǎn)，阻抗相位角為0º，阻抗值zui大。
Lk：漏電感
測量目的：保證繞組處于骨架上正確的位置以及磁性材料設(shè)計(jì)的空氣氣隙大小的正確性。
測量項(xiàng)目：串聯(lián)電感Ls
測量范圍：10nH—100kH
信號電平:
5mV—2V
@20Hz—300kHz，
漏感是初級主繞組電感磁通的一部分，但這部分磁通量未耦合至次級繞組。為了使電路在正確的狀態(tài)下工作，變壓器也許需要一定的漏感或保持一很低的值，設(shè)計(jì)時(shí)就需要給出一特定的漏感值。漏感測量時(shí)需要將變壓器次級繞組斷路，但在生產(chǎn)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些問題，次級短路效果的好壞及次級銅阻值會(huì)影響漏感測量的準(zhǔn)確性。
Ciw：初、次級繞組間電容
測量目的：保證繞組間具有準(zhǔn)確的絕緣厚度、絕緣材料
測量范圍：100fFnH—10F
信號電平:
5mV—2V
@20Hz—300kHz
 
變壓器出現(xiàn)的電容（分布電容）是由于初級繞組與次級繞組間或次級與次級間繞組間相互靠近的導(dǎo)線產(chǎn)生的靜電耦合所引起的。
TR：圈數(shù)比
測量目的：保證每個(gè)繞組的圈數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。
測量項(xiàng)目：圈數(shù)比（匝比）
測量范圍：100 – 100:1
信號電平:
5mV—2V
@20Hz—300kHz
 
測量圈數(shù)比是為了確認(rèn)初級繞組和次級繞組圈數(shù)的正確性，從而當(dāng)變壓器使用時(shí)，次級能獲得所需的電壓。從理論上所，電壓比與圈數(shù)比應(yīng)是*一致的，然而，從圖1中所示，由于不同的變壓器損耗的存在將會(huì)導(dǎo)致電壓比與繞組實(shí)際圈數(shù)比的不一致，切記。
圈數(shù)比有不同的測量方法，包括電壓比或電感量比。以電感量比來計(jì)算圈數(shù)比能克服了磁芯損耗和漏感所帶來的誤差。
Phase：繞線方向


測量目的：保證每個(gè)繞組繞線方向的正確性，即同名端位置是否符合要求。
測量項(xiàng)目：圈數(shù)比（匝比）
測量范圍：+/-
信號電平:
1V
@20Hz—300kHz
測量圈數(shù)比是為了確認(rèn)初級繞組和次級繞組繞線方向的正確性。使得變壓器次級輸出電壓的相位符合設(shè)計(jì)要求。
SUGE：高壓浪涌測試（UC23259X系列無此能力，需使用UC5815系列進(jìn)行測試）

測量目的：保證生產(chǎn)過程中繞線用銅線的絕緣材料（通常為漆包線）未被損傷。漆層的損壞將導(dǎo)致匝間短路，同時(shí)也能檢測出絕緣層的絕緣強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

測量項(xiàng)目：面積、面積差等

脈沖信號電平：500V—5000V

使用很細(xì)的導(dǎo)線繞制高圈數(shù)的變壓器容易產(chǎn)生絕緣損壞的問題。生產(chǎn)過程中絕緣材料的損壞是很難避免的，而且絕緣材料可能并未**短路。在圈數(shù)測試時(shí)由于是進(jìn)行的低壓測試，損壞部分未被擊穿（短路），因此低壓測試就不能將此故障檢測出。然而，zui終制造的變壓器可能工作于較高的電壓情況，損壞點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生電弧、打火等現(xiàn)象，或者短時(shí)間正常使用后由于熱效應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)線短路。

測試時(shí)，通過將一個(gè)充電的電容器連接至變壓器繞組，繞組上將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓，通過測量衰減振蕩的面積，就有可能確認(rèn)該繞組內(nèi)是否存在損壞現(xiàn)象。

通過計(jì)算曲線的電壓時(shí)間積，可以提供了一個(gè)量的概念，由此來確認(rèn)元件的好壞。通過使用一個(gè)脈沖電壓技術(shù)來檢測是否存在匝間短路，避免了用戶通過理解復(fù)雜的波形來了解潛在的固有故障。

有關(guān)高壓浪涌測試參見《線圈元件的脈沖測試技術(shù)》
IR：絕緣電阻（UC3259X系列無此能力）使用LK2679E測試

測量目的：保證繞組的絕緣性以滿足所需的技術(shù)指標(biāo)。
 
HV AC：交流AC高壓安全測試（UC3259X系列無此能力）使用LK7122測試

測量目的：保證繞組使用了正確的材料和繞組位于正確的位置并提供所需的安全隔離等級。

所有提供交流電源系統(tǒng)隔離的變壓器都必須進(jìn)行測試，以證實(shí)它們能具有承受安全測試電壓而不損壞的能力。
結(jié)論
為*確保變壓器使用了正確的材料和生產(chǎn)工藝，變壓器測試系統(tǒng)必須能提供測試變壓器所包含各種元件成分的全面測試能力，這將保證每一個(gè)被測變壓器滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。分散的單獨(dú)測試是非常煩瑣和困難的，且極浪費(fèi)時(shí)間。LHUC3259X系列變壓器測試系統(tǒng)提供了一種廉價(jià)、有效、易于使用且快速的測試解決方案。

測試儀器

UC3259XA 變壓器綜合測試儀

UC3259XA變壓器綜合測試儀專門為開關(guān)變壓器、網(wǎng)絡(luò)變壓器、高頻變壓器廠家全力打造的新一代自動(dòng)變壓器測試系統(tǒng)，滿足了客戶對精度、穩(wěn)定性和速度的追求，真正做到了產(chǎn)能和品質(zhì)的同步提高，各方面性能均比老款3259提高N倍。

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■  簡潔、淡雅的外觀設(shè)計(jì)，靈活、便捷的面板操作

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    足網(wǎng)絡(luò)變壓器參數(shù)完整測試需求

■  zui高測試頻率200kHz, 分辨率0.5mHz

■  寬闊的信號幅度范圍5mV-10Vrms, 分辨率100μV

■  zui快測試速度達(dá)75次/秒

■  更寬的阻抗測量范圍與更好的小信號測試穩(wěn)定性

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■  靈活的時(shí)間標(biāo)記系統(tǒng)，文件設(shè)定、校準(zhǔn)偏差與扣除時(shí)間均可記憶和顯示

■  對選定的掃描參數(shù)進(jìn)行多檔分選

■  掃描盒繼電器自檢功能，保證掃描盒的可靠工作

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■  機(jī)內(nèi)100組設(shè)定文件保存，海量U盤設(shè)定文件保存能力

■  多種文件搜索模式：模糊搜索和搜索等

■  以CSV, GIF格式保存測試數(shù)據(jù)和圖像于USB存儲器

■  提供PC級儀器測試設(shè)定文件編程能力（選件）

■  可通過USB HOST來實(shí)現(xiàn)儀器軟件版本的升級和更新

■  多種接口方式支持上位機(jī)通訊

■  支持通過LAN接口實(shí)現(xiàn)多臺儀器聯(lián)網(wǎng)

產(chǎn)品型號

UC3259XB

20Pin變壓器掃描測試

基本測量準(zhǔn)確度

LCRZ

0.05%

DCR、圈數(shù)比

0.1%

校準(zhǔn)條件

預(yù)熱時(shí)間：≥ 30分鐘； 環(huán)境溫度：23±5°C； 信號電壓：0.3Vrms - 1Vrms

清“0”：OPEN、SHORT后； 測試電纜長度：0 m

測試信號頻率

UC3259XB

50HZ-200KHZ

zui小分辨率0.5mHZ, 準(zhǔn)確度：0.01%

信號源輸出阻抗

10Ω、30Ω、100Ω可選， ±2% @1kHz

AC測試信號電平

正常

5mV-10Vrms

 UC3259XB不能加裝直流偏置電流源

50μA-100mArms

恒定電平

10mV-5Vrms

100μA-50mArms

變壓器測試參數(shù)

圈數(shù)比, 圈數(shù), 相位, 電感, 電容, 漏感, 品質(zhì)因數(shù), 交流電阻, 直流電阻, 平衡, 引腳短路;

Turn Ratio, Turns, Phase, L, C, Lk, Q, ACR, DCR, Balance, Pin Short

LCR數(shù)字電橋測試參數(shù)

Z|, |Y|, C, L, X, B, R, G, D, Q, θ, DCR, Turn-Ratio, Phase, Lk

DCR顯示范圍

0.00001 Ω－999.999 MΩ

圈數(shù)比顯示范圍

1:0.001-1000:1

LCR參數(shù)顯示范圍

|Z|, R, X 0.00001Ω — 99.9999MΩ

|Y|, G, B 0.00001μs — 99.9999s

C 0.00001pF — 9.99999F

L 0.00001μH — 99.9999kH

D 0.00001 — 9.99999

Q 0.00001 — 99999.9

θ（DEG） -179.999º — 179.999º

θ（RAD） -3.14159 — 3.14159

Δ% -999.999% — 999.999%

測量速度（≥10 kHz）

快速: 60次/秒（13ms）,中速:11次/秒（90 ms）慢速：2.7次/秒（370 ms）

等效電路

串聯(lián), 并聯(lián)

量程方式

自動(dòng), 保持

觸發(fā)方式

內(nèi)部, 手動(dòng), 外部, 總線

平均次數(shù)

1－255

校準(zhǔn)功能

開路, 短路, 負(fù)載