Was ist dcr in Induktivitäten und wie wirkt es sich auf Ihr Schaltungsdesign aus?

Induktivitäten sind weit verbreitete passive Komponenten in der Elektronik nach Widerständen und Kondensatoren. Ein idealer Induktor speichert Energie in einem Magnetfeld und liefert einen gleichmäßigen Ausgangsstrom an die Last. In einer praktischen Schaltung enthält ein Induktor jedoch auch einen Widerstand mit niedrigem Wert, der mit seiner Induktivitätseigenschaft verbunden ist. Während des Flusses der Gleichstromversorgung oder um genau zu sein bei einer Frequenz von 0 Hertz, bieten Induktivitäten Widerstand gegen den Stromfluss. Dieser Gleichstromwiderstand wird als DCR bezeichnet, was für Gleichstromwiderstand steht. In diesem Tutorial erfahren Sie mehr über DCR und wie sich dies auf die Leistung einer Schaltung auswirkt. Wir werden auch lernen, wie man den DCR-Wert eines Induktors misst und wie man den DCR-Wert eines Induktors während seines Aufbaus reduziert.

Ähnlich wie bei DCR für Induktivitäten sind auch bei den Kondensatoren einige nicht ideale Parameter zugeordnet, die als Äquivalentreihenwiderstand (ESR) und Äquivalentreiheninduktivität (ESL) bezeichnet werden. Lesen Sie den Artikel über ESR und ESL in Kondensatoren, um mehr darüber und über diese zu erfahren Bedeutung im Schaltungsdesign.

Was ist DCR in Induktoren?

Der Begriff DCR steht für DC Resistance. Dieser Wert gibt den Widerstand an, den ein Induktor bieten kann, wenn ein Gleichstromsignal von 0 Hz durch ihn geleitet wird. In der Praxis ist allen Induktoren ein kleiner DCR-Wert zugeordnet.

Das folgende Bild zeigt einen praktischen Induktor, dessen tatsächliche Induktivität in Reihe mit einem kleinen Gleichstromwiderstand (DCR) geschaltet ist. Das Induktorsymbol repräsentiert hier die Induktivität und der Widerstand in Reihe damit ist der Gleichstromwiderstand des Induktors. Im Prinzip bieten Induktivitäten einen sehr niedrigen Widerstand für Gleichstrom mit niedriger Frequenz und einen hohen Widerstand für Hochfrequenzeingänge.

Der DCR eines Induktors ist auf den Widerstand der Spule zurückzuführen, mit der der Induktor hergestellt wird. Der Widerstand der Spule ist proportional zur Länge des Drahtes, der zur Bildung der Spule verwendet wird, und die Länge der Spule ist auch proportional zum Induktivitätswert des Induktors. Daher legen Induktoren mit höherem Wert einen hohen Widerstand auf, und Induktoren mit niedrigem Wert liefern einen niedrigen Widerstand. Ein großer Induktivitätswert erfordert höhere Wicklungszahlen als die Induktivitäten mit niedrigem Wert, wodurch die Kupferdrahtlänge erhöht wird. Der DCR der Induktivitäten reicht typischerweise von weit weniger als 1 Ohm bis 3-4 Ohm.

Praktische Bedeutung von DCR

Jetzt wissen wir, dass Induktoren einen kleinen Widerstandswert haben, aber was ist das Problem damit? Warum ist es wichtig, diesen kleinen Widerstandswert beim Entwurf unserer Schaltung zu berücksichtigen?

Der DCR, der ein Widerstand ist, leitet Wärme ab und verringert den Wirkungsgrad wie jeder andere Widerstand mit einem Spannungsabfall darüber. Der Wirkungsgrad wird unter Verwendung der folgenden Formel gemessen

Q = w (L / R)

Wobei Q als Q-Faktor bezeichnet wird. L ist der induktive Reaktor und R ist der Widerstand des Induktors bei einer bestimmten Frequenz. Das Verhältnis einer induktiven Reaktanz zum Widerstand bei einer bestimmten Frequenz wird als Q-Faktor bezeichnet. Dieser Q-Faktor ist in verschiedenen Anwendungen wesentlich. Je höher der Q-Faktor ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. Wenn theoretisch berechnet, hat ein idealer Induktor einen höheren Q-Faktor als der reale. In realen Induktoren ist dieser Q-Faktor in DCR zuverlässig.

In Bezug auf die Anwendung werden Induktoren mit einem hohen Wert des Q-Faktors in den HF-Schaltkreisen verwendet, in denen parallel dazu ein Kondensator verwendet wird, um einen Resonanz-Tankkreis zu bilden. In einem solchen Fall hilft der hohe Wert des Q-Faktors eines Induktors, die obere und untere Frequenz des Resonanzkreises auszugleichen, der in einer kontinuierlichen Bandfrequenz arbeitet.

In Anwendungen im Zusammenhang mit der Leistungselektronik ist der niedrige DCR-Wert für eine geringere Verlustleistung sowie für geringe Stellflächen erforderlich. Induktivitäten mit niedrigem DCR haben einen niedrigen Formfaktor als Induktoren mit dem hohen DCR-Wert. Der Haupteffekt des DCR des Induktors ist die Verlustleistung aufgrund des Spulenwiderstands. Die Verlustleistung kann durch das Leistungsgesetz P = I ² R berechnet werden, wobei R dem Gleichstromwiderstand der Induktoren entspricht und I der durch sie fließende Strom ist.

Wie misst man den DCR eines Induktors?

Die meisten Menschen messen den DC-Widerstand (DCR) eines Induktors, indem sie ein Standard-Multimeter über die Induktorkabel anschließen, um den Widerstand des Kupferdrahtes zu messen. Es könnte für Induktoren mit großem Wert fair genug funktionieren, da der Kupferdraht dort groß genug ist, um einen hohen DCR-Wert zu erzeugen, der mit der typischen Auflösung von mehreren Metern gemessen werden kann.

Für einen Induktor mit kleinerem Wert ist der Gleichstromwiderstandswert jedoch zu klein (typischerweise im Mili-Ohm-Bereich), um mit den kostengünstigen Standard-Multimetern gemessen zu werden. Auch die Sondenkabel des Multimeters haben einen Gleichstromwiderstand, der sich zum DCR-Wert addiert und zu fehlerhaften Messwerten führt. Es gibt also ein generisches Problem bei der DCR-Messung des Induktors.

Die tatsächliche Methode zum Messen des DCR-Werts eines Induktors besteht darin, einen Kelvin-Erfassungspfad über die Leitungen zu verwenden und Strom über den Induktor anzulegen. Da der DCR des Induktors der Gleichstromwiderstand des Kupferdrahtes ist, erzeugt er eine Spannung über dem Anschluss des Induktors basierend auf dem Ohmschen Gesetz V = I x R. Diese Spannung kann mit dem Multimeter gemessen werden. Offensichtlich hat diese Messtechnik eine Einschränkung. Bevor Sie die Messung durchführen, sollten Sie sich einiger Dinge bewusst sein, die unten aufgeführt sind.

1. Die maximale Nennstromstärke der Induktivitäten. Der Strom sollte die im Datenblatt des Induktors angegebene maximale Stromstärke nicht überschreiten.
2. Ein Steckbrett ist nicht für die DCR-Messung von Induktoren geeignet, da der Steckbrettanschluss auch zu Rauschen und Widerstand beiträgt.
3. Es ist gut, eine geeignete Leiterplatte mit nur Testpunkten, Stromeingangs- und -ausgängen und den Komponentenpads zu verwenden, um ein Löten zu vermeiden.

Das folgende Bild zeigt die Schaltung zum Messen des DCR-Werts eines Induktors. Der hier gezeigte Induktor ist ein idealer Induktor und der Gleichstromwiderstand ist der äquivalente Serienwiderstand. Die Erfassungslinie ist die Kelvin-Erfassungslinie.

Nehmen wir an, dass der hier verwendete Induktor eine Dauerstromstärke von 1A hat. Also wird der Eingangsstrom hier 1A sein. Je höher der Wert des Eingangsstroms, desto höher ist die Auflösung des gemessenen DCR-Werts. Wenn Ihr Induktor jedoch keine Ströme mit hohem Strom verarbeiten kann, können auch Ströme mit niedrigem Wert verwendet werden.

Nach dem Durchleiten des Stroms muss der Spannungsabfall an den Leitungen des Induktors gemessen werden. Angenommen, der Spannungsabfall am Induktor wird mit ca. 50 mV berechnet. Dann kann der DCR dieses Induktors berechnet werden als

V = I x R R = V / I R = 0,05 / 1 R = 0,05 Ohm

So reduzieren Sie den DCR beim Aufbau des Induktors

Der DCR-Wert eines Induktors hat keinen signifikanten Vorteil und daher ist es immer besser, einen Induktor mit niedrigem DCR-Wert auszuwählen. Normalerweise wird beim Bau oder Entwurf von Induktivitäten auch der DCR-Parameter berücksichtigt. Der DCR eines Induktors muss sehr niedrig sein, damit der Induktor den Gleichstromfluss nicht blockiert. Die folgenden Techniken werden verwendet, um den DCR-Wert eines Induktors zu reduzieren

1. Der Widerstand hängt von der Länge und Dicke des Kupferdrahtes ab. Um den Gleichstromwiderstand eines Induktors anstelle eines einzelnen Drahtes zu verringern, können mehrere Drähte parallel gewickelt werden. Aufgrund dieser Verbindung wird der resultierende Widerstand geringer. Betrachten Sie einen einzelnen Kupferdraht mit einem x-Widerstandswert. Wenn mehrere solcher Drähte parallel geschaltet sind, wird der Ersatzwiderstand verringert, da Widerstände parallel einen niedrigen Ersatzwiderstand als Ausgang haben.

2. Durch Erhöhen der Querschnittsfläche des Kupferdrahtes wird der Gleichstromwiderstand der Induktivitäten verringert. Daher sind dickere Drähte für eine verringerte DCR vorteilhaft.

3. Eine andere Technik besteht darin, anstelle der runden Kupferdrähte einen flachen Kupferdraht zu verwenden. Flachdrähte haben im Vergleich zu Runddrähten eine große Fläche. Dies ist auch vorteilhaft, um den Gesamtwiderstand zu verringern.

Das folgende Bild ist eine Induktivität, die aus Flachdraht aufgebaut ist. Der Hersteller ist Wurth Electronics und die Teilenummer lautet 7443641000. Gemäß Datenblatt hat der Induktor eine Induktivität von 10 uH und der Gleichstromwiderstand beträgt 2,4 Mili-Ohm bei 20 Grad Celsius.

4. Das Datenblatt des Induktors enthält die Nennwerte des Induktors, für den der maximale DCR-Wert angegeben ist. Dieser Wert variiert je nach Temperatur. Es wird empfohlen, den Induktor unter bestimmten Umgebungstemperaturbedingungen zu verwenden, um ihn im minimalen DCR-Wertebereich zu betreiben.

Daher ist der DCR eines Induktors ein wichtiger Faktor und sollte beim Entwurf einer Schaltung berücksichtigt werden.