Die meisten LCR-Meter messen Bauteile mit einem Strom von nur wenigen Milliampere. Für Kondensatoren und Widerstände geht das in Ordnung, aber die Induktivität von Leistungsinduktivitäten (und deren weitere Eigenschaften) variieren mit dem (Gleich-) Strom, mit dem gemessen wird. Um diesen Einfluss des Messstroms auf den Wert der Induktivität zu unterbinden, bedarf es nur eines sehr kleinen Serienwiderstands (Strommesswiderstands) und eine stabile und kräftige Stromversorgung. Dieses Prinzip ist im Laufe der Jahre auf viele verschiedene Arten angewandt worden. Ein Leistungsschalter (meist ein MOSFET) und ein Impulsgenerator sind erforderlich, um die Spannung an der Induktivität abzuschalten, bevor sie zu hoch wird. Ein Oszilloskop wird verwendet, um den Strom durch die Induktivität zu überwachen. Diese Schaltung dagegen arbeitet eigenständig. Der maximale Strom ist einstellbar und ein Triggersignal für das Oszilloskop ist ebenfalls vorhanden. Ein externer Impulsgeber ist nicht erforderlich. Eine Platine mit geeignetem Layout sorgt dafür, dass der Widerstand zwischen Stromversorgung, Induktivität, MOSFET und Strommesswiderstand minimal ist.
 

Measuring Power Inductors - The power inductor PCB design


In dem Schaltplan in Bild 1 werden zwei Timer eines CMOS 4538 verwendet. Das Timing eines 4538 wird durch die RC-Konstante (in diesem Fall R8/C3, R9/C4) eingestellt. Für IC2A bedeutet dies 1 µF x 1 MΩ = 1 s. IC2A schaltet den MOSFET T3 einmal pro Sekunde ein. Der zweite Timer wird verwendet, um die Zeit, die der MOSFET leitet, auf 1 ms zu begrenzen. Wenn ein längerer maximaler Impuls benötigt wird, muss der Wert von R9 entsprechend erhöht werden. Bei diesem sehr kurzen Tastverhältnis ist für T3 und D3 kein Kühlkörper erforderlich. Ein schneller Operationsverstärker (IC1) vom Typ AD8032 mit Rail-to-Rail-Eigenschaften an Ein- und Ausgang überwacht den Strom über dem 10-mΩ-Strommesswiderstand R4. Der Opamp dient als Komparator: Wenn der Spannungspegel über R4 höher ist als der mit P1 eingestellte Pegel, wird der Ausgang von IC1A low und setzt IC2B zurück, der MOSFET wird abgeschaltet. Gleichzeitig wird IC2A getriggert, der Ausgang Q (Pin 6) wird high und liefert ein Triggersignal für das Oszilloskop an K2. Nach einer Sekunde geht /Q auf high und triggert IC2B. T3 schaltet sich für den nächsten Messzyklus ein. Der Strom durch die Induktivität beginnt zu steigen, und der Vorgang wird wiederholt.
Measuring power inductors - the inductor meter
Bild 1. Schaltbild des Induktivitätsmessgeräts.

Die beiden Zeitgeber sind im nicht retriggerbaren Modus konfiguriert. Der Ausgang Q von IC2A ist mit seinem +TR-Eingang verbunden, und /Q von IC2B ist an dessen -TR-Eingang angeschlossen, um Störeinflüsse zu unterdrücken, die die Impulse verlängern würden. C10 ist hinzugefügt, um den Reset-Impuls von IC2B, aber vor allem den Trigger-Impuls von IC2A zu verlängern. Der letztere Eingangspegel muss niedriger sein als der Rücksetzimpuls, um die Triggerung zu aktivieren. Bei einer niedrigen Stromeinstellung (P1) - ohne C10 - würde der Ausgang von IC1A nicht niedrig genug werden, um IC2A auszulösen. Wenn es beim Einschalten keinen Triggerimpuls gibt, wird die Messung mit dem Taster S1 gestartet. T1 und T2 werden verwendet, um T3 schneller ein- und auszuschalten. Der Gatestrom und die parasitäre Kapazität der zu prüfenden Induktivität verursachen zwar eine Spannungsspitze über R4, aber dies hat keinen Einfluss auf die Messung.

Zum Beispiel

Als Beispiel wurde eine Leistungsinduktivität von Murata Power Solutions getestet, Typ 1433445C, 330 µH, spezifiziert für einen maximalen Gleichstrom von 4,5 A. Das Datenblatt erwähnt für alle Induktivitäten der Baureihe nur, dass der spezifizierte maximale Gleichstrom auftritt, wenn die Induktivität auf 60 % fällt oder bei einem Temperaturanstieg von 50°C, je nachdem, was früher eintritt. Ein Blick auf die Messung in Bild 2 zeigt, dass die Sättigung des Kerns bei etwa 10 A einsetzt. Das bedeutet, dass sie in Anwendungen mit langsamen, sich wiederholenden großen Stromimpulsen bis zu 10 A ohne Verlust der Induktivität eingesetzt werden kann. Achten Sie aber immer darauf, dass der Gleichstrom durch die Induktivität nie höher wird als der im Datenblatt angegebene Wert! Die Schaltung ist für etwas mehr als 15 A ausgelegt.
measurement cycle - Measuring Power Inductors
Bild 2. Oszillogramm eines Messzyklusses. Die rote Kurve stellt den Strom durch die Induktivität dar, die blaue das Triggersignal.

Am besten verwenden Sie ein Netzgerät mit diesem oder höherem maximalen Strom, damit die Spannung nicht in die Knie geht, weil dies die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen würde. Die Stromversorgung ist aber sicherheitshalber mit drei Kondensatoren mit sehr niedrigem ESR (C7/C8/C9) entkoppelt. In der Praxis ist die Verwendung eines Netzteils mit geringerem Ausgangsstrom natürlich auch möglich. Sie entscheiden! Eine flinke 15-A-Sicherung sichert das Gerät im Falle eines Kurzschlusses des MOSFET ab. Ein Nachteil ist dabei der zusätzliche Spannungsabfall über der Sicherung. Die meisten Leistungsinduktivitäten liegen im Bereich von einigen 100 µH, und die Dauer des Spitzenstroms ist sehr kurz. Verwenden Sie dicke Drähte, um die Klemmen Lx und 12 V auf der Platine mit der zu prüfenden Induktivität beziehungsweise der Stromversorgung zu verbinden. Alternativ können zwei dünnere Drähte parallel an die beiden 1,4-mm-Bohrungen in den Footprints auf der Platine angeschlossen werden.


Im Oszillogramm ist in der roten Kurve der Strom durch die Induktivität mit 5 A/div und in der blauen Kurve das Signal am Triggerausgang aufgetragen. Die Störung am Anfang wird durch das Einschalten des MOSFETs verursacht und ist zum Teil auf die Aufladung der Gate-Kapazität und zum Teil auf die parasitäre Kapazität der Induktivität zurückzuführen.

Mit der Standardformel für die Spannung an einer Induktivität kann die Zeit berechnet werden, die der Strom benötigt, um den mit P1 eingestellten Wert zu erreichen:
 

eq 1 power inductor

Nach Umstellung lautet die Formel:

eq 2 power inductor

Wenn eine Leistungsinduktivität an eine 12-V-Stromversorgung angeschlossen wird, steigt der Strom mit der Zeit linear an, solange der Kern nicht in die Sättigung geht. Die Zeit, um einen Stromfluss von 10 A durch eine 330-µH-Induktivität zu erreichen, beträgt 275 µs. Man kann aber auch die tatsächliche Induktivität aus der Zeitspanne berechnen, die auf dem Oszilloskop angezeigt wird, zu der 10 A erreicht sind (290 µs). Die Induktivität ist U*dt/dI, also 348 µH.
 

power inductor PCB - Measuring Power Inductors
Bild 3. Das Layout der Platine.

Die Platine

Für dieses Projekt wurde eine Platine (Bild 3) entworfen, deren Gerberdateien heruntergeladen werden können. Um die Platinenabmessungen kleinzuhalten, wurden einige Verbindungen auf beiden Platinenseiten parallel verlegt, um den Widerstand der Messschleife so niedrig wie möglich zu halten. Der verwendete MOSFET ist ein IRFB7545PBF im TO-220-Gehäuse mit einem RDS(on) von etwa 5 mΩ. Der Gesamtwiderstand von MOSFET und Strommesswiderstand beträgt etwa 15 mΩ, sodass der Spannungsabfall bei 15 A 0,23 V beträgt, wenn man die Kupferverluste der Leiterbahnen und Anschlussdrähte nicht berücksichtigt. Die Flyback-Diode zur Unterdrückung der Spannungsspitzen beim Ausschalten des MOSFET ist eine MBR1645, die einen durchschnittlichen Strom von 16 A und eine Sperrspannung von 45 V verträgt. Die maximale Versorgungsspannung für den Operationsverstärker beträgt 12 V, und dies ist auch die maximale Spannung für diese Schaltung. Obwohl der maximale Strom durch die zu prüfende Induktivität hoch ist, beträgt der durchschnittliche Versorgungsstrom nur wenige Milliampere.

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Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel erschien ursprünglich in Elektor Summer Circuits 2022.

Stückliste

Widerstände:
R1 = 68 k, 0,25 W, 5 %
R2 = 4k7, 0,25 W, 5 %
R3 = 100 Ω, 0,25 W, 5 %
R4 = 0Ω01, 5 W, 10 %, radial (induktionsarm), Raster 9 mm (Fukushima Futaba MPC75)
R5 = 49Ω9, 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 = Trimmpoti 1 k, liegend (Piher PT10LV10-102A2020-S)
 
Kondensatoren:
C1,C2,C4,C5,C6 = 100 n, 50 V, X7R, Raster 5,08 mm
C3 = 1 µ, 63 V, PET, Abstand 5/7,5 mm
C7,C8,C9 = 3300 µ, 16 V, Durchmesser 12,5 mm, Raster 5 mm, 3,4 A, 15 mΩ, (Rubycon 16ZL3300MEFC12,5X35)
C10 = 220 n, 63 V, PET, Raster 5 mm
 
Halbleiter:
D1,D2 = 1N4148, DO-35
D3 = MBR1645, TO-220, 2 Pins
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
 
Außerdem:
K1,K2 = BNC-Buchse, Platinenmontage, gewinkelt, 50 Ω
K3 = 1x3-polige Stiftleiste, gerade, Raster 2,54 mm
F1 = 2 Sicherungsklammern, 20 A, Littelfuse 01000020Z, für 5x20mm-Sicherung
F1 = Feinsicherung 5 x 20 mm, 15 A, flink
S1 = Drucktaster, SPST, 1xan
S1,Lx,Stromversorgung = 10 Lötnägel, 1,3 mm (Ettinger 13.14.419)
8-polige DIP-Fassung für IC1
16-polige DIP-Fassung für IC2