如何應用數位示波器產生磁性元件動態磁滯曲線?
關鍵字：磁性元件(Magnetic components)，磁滯曲線(B-H Curve)，磁飽和(Magnetic saturation)
前言
本文將說明如何應用數位示波器將電壓與電流轉換為磁通密度(B)與磁場強度(H)，並探討靜態(Sine Wave)量測磁滯曲線BH與動態激勵源量測的差異。
電感器及變壓器是電源電路中常見的磁性元件扮演著儲能與能量轉換的角色。磁性元件由繞組與磁芯組成，磁性材料的導磁率（μ）、溫度特性、頻率特性及結構決定了磁性元件的規格。
如何應用數位示波器將電壓與電流代入兩公式計算磁通密度(B)與磁場強度(H)。
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圖一：環形電感器的結構 |
磁場強度H 磁通密度B n: 線圈匝數(Windings)
AC: 磁路截面積(Cross Section Area) 數位示波器具備進階運算的功能，透過公式的設定將n, |
圖二：GDS-3000A電源分析中n、
及AC等變數的設定畫面
最後再透過X-Y模式將轉換後的B與H顯示為X-Y模式便可得到磁滯曲線。
瞭解磁滯曲線上的專有名詞
磁滯現象為鐵磁性( ferromagnetism)物質，在外加磁場(H)作用下，其磁偶極(M)強度會沿著外加磁場方向增加。當外加磁場強度越大，磁性物質所受到的磁化越強，磁通密度(磁偶極強度)也會越大，最終會到達飽和。
飽和磁化量(magnetic saturation，Ms)：即使再增大外加磁場，也無法再增加鐵磁性物質本身的磁性。
殘磁(magnetic remanence，Mr)或剩磁(Retentivity)：當外加磁場強度降低時，磁偶極(M)強度也會隨之減弱；當外加磁場降到零時，磁性材料的磁偶極強度並不會歸零，仍保有些許磁化強度。
當反方向外加磁場增強時，其所殘留的磁化強度(M)會再降低，直到反方向外加磁場達某一特定強度時，才可使殘留的磁偶極消失(即磁化強度為零)。此反方向外加磁場強度稱為矯頑磁力(magnetic coercivity，Hc)。
當反方向外加磁場持續增強時，磁性材料又會產生非零的磁化強度(M)。隨著外加磁場強度與方向改變，讓磁性材料的磁偶極有特定的變化，稱為磁滯曲線 (Hysteresis Curve)或稱為B-H Curve。
圖三：磁滯曲線(B-H Curve)
靜態(Sine Wave)量測磁滯曲線BH與動態激勵源量測的差異
静態量測是使用固定頻率為激勵源，而磁性元件的設計目標是在最大峰值電流下能正常運作，也就是不能發生磁飽和，實際的最大激磁電流應在實際的動態電流波形上量測才能得到真實的工作狀態，這個真實的工作狀態包含實際的溫度條件。磁性物質，都有所謂的居里溫度，每種材料的居里溫度皆不相同，當磁性物質超過其居里溫度，物質內部的磁偶極會獲得足夠的能量而脫離其排列的趨勢，其方向從有序變為無序，磁性便會消失。
下圖是量測MOS多個切換週期的量測結果，GDS-3000A 量測B-H curve 的結果是與高階示波器 Lercory WaveRunner 8108HD 測試結果接近。
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GDS-3000A B-H curve |
Lercory WaveRunner 8108HD |
圖四：GDS-3000A重要規格
GDS-3000A除了提供B-H Curve量測功能外，總計提供13項電源量測功能(如圖五所示)．完整涵蓋了AC input、DC output、Switching component analysis、Magnetics analysis and frequency response analysis可加速電源驗證。
圖五：GDS-3000A電源分析畫面
參考文獻
註1：維基百科磁滯現象 https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%A3%81%E6%BB%9E%E7%8E%B0%E8%B1%A1
註2：國立交通大學 物理實驗手冊 磁滯曲線 (實驗19)
註3：國立清華大學物理系網站 磁滯現象
註4：國立台灣大學 科學Online https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=29468
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