Η αναπαραγωγή χαμηλών συχνοτήτων γίνεται διαμέσου ηχείων μεγάλου όγκου και μεγαφώνων μεγάλης διαμέτρου κώνου και μεγάλης μαγνητικής επαγωγής. Είναι δυνατός ο διαχωρισμός του φάσματος χαμηλών συχνοτήτων σε τρεις περιοχές και η αναπαραγωγή της κάθε περιοχής από ξεχωριστό ηχείο. Λογω της χαμηλής ανάλυσης του ανθρωπίνου συστήματος ακοής στις χαμηλές συχνότητες, η ανακατασκευή του φάσματος χαμηλών συχνοτήτων από τα τρία ηχεία δεν είναι απαραίτητο να είναι επίπεδη. Έτσι το κάθε ηχείο περιλαμβάνει ειδικό μεγάφωνο το οποίο αναπαράγει σε υψηλή στάθμη κοντά στη συχνότητα συντονισμού του. Το μεγάφωνο αυτό μπορεί να έχει μικρή διάμετρο και μικρή μαγνητική επαγωγή που σημαίνει μικρών διαστάσεων μαγνήτη και μπορεί να εγκατασταθεί σε καμπίνα μικρού όγκου. Έτσι το φάσμα χαμηλών συχνοτήτων αναπαράγεται από σύστημα μειωμένων διαστάσεων σε σχέση με το συνηθισμένο και με υψηλότερη απόδοση. Η σχεδίαση και η κατασκευή ενός τέτοιου συστήματος αναπαραγωγής χαμηλών συχνοτήτων είναι το αντικείμενο της παρούσας εργασίας. / Low frequency reproduction can be done through large dimention loudspeakers and big magnetic force. Low frequency spectrum can be divided into three small regions and each one can be reproducted via independent loudspeakers. Because of the low resolution of the human auditory system in such frequencies, it's not necessary for the frequency response to be flat. Each speaker has a specially designed loudspeaker with high sensitivity at the resonance frequency. The resulted speaker will have small dimentions. The final system will have smaller overall dimentions compared to the usual basswoofers. The design and construction of such a system is the sybject of the thesis.

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός ενός αναλογικού ενισχυτικού κυκλώματος χαμηλού θορύβου το οποίο θα λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες. Ο ενισχυτής αυτός προορίζεται για χρήση στο analog front end κυκλωμάτων τα οποία θα υποστηρίζουν πρωτόκολλα μεταφοράς πληροφορίας σε δίκτυα ισχύος (Power Line Communication, Internet of Things). Για τον σχεδιασμό γίνεται η χρήση της κλασικής θεωρίας μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων αλλά και της μικροκυματικής θεωρίας. Παρουσιάζονται οι διάφορες τοπολογίες των τρανζίστορ BJT, γίνεται μία παρουσίαση των βασικότερων πηγών θορύβου και αναφέρονται βασικές αρχές των S παραμέτρων και της προσαρμογής εμπέδησης. Ο ενισχυτής κοινού εκπομπού απορρίφθηκε καθώς αποδείχθηκε αμφίπλευρος οπότε καταλήξαμε στην επιλογή της cascode τοπολογίας η οποία προσδίδει ευστάθεια, απομόνωση και καλή γραμμικότητα. Η απόλυτη προδιαγραφή που τέθηκε για το θόρυβο δεν επιτεύχθηκε και οπότε αναφέραμε τους λόγους που οδήγησαν σε αυτό και προτείναμε πιθανές λύσεις μέσω άλλων υλοποιήσεων. / The subject of this diploma thesis is the design of a low noise high-frequency analogue amplifier. The amplifier is designed to be used in the analog front end of circuits designed to support protocols that control the transmission of information over power lines (internet of things). To achieve this goal we make use of classic microelectronics theory but also microwave theory. The topologies of the BJT transistors are presented, we also go through the basic noise production reasons and we also make a short reference on the s-parameters and on the basic principles of impedance matching. The common emitter amplifier proved to be bilateral, so the cascode amplifier, which provides stability, isolation and linearity, was preferred. The noise specification was not achieved so we present the basic reasons of this, as well as we propose possible solutions.

Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση ενός συστήματος που να επιτρέπει την μελέτη των τεχνικών Σύνθεσης Συχνοτήτων με βρόχο κλειδωμένης φάσης μέσω του RMCLab. Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε και σχεδιάστηκε το κατάλληλο υλικό (hardware) και λογισμικό (software) έτσι ώστε να δίνεται η δυνατότητα μελέτης του βρόχου σύνθεσης συχνότητας χωρίς κανένα ουσιαστικό περιορισμό. Ο χρήστης του συστήματος που κατασκευάστηκε σ’ αυτή τη διπλωματική εργασία μπορεί να μελετήσει βρόχους σύνθεσης συχνοτήτων που υλοποιούνται με όλες τις γνωστές μέχρι σήμερα τεχνικές (πχ: Integer N, Fractional, ΣΔ), ή ακόμη να εφαρμόσει δικές του τεχνικές ή νέες, πρόσφατες τεχνικές όπως αυτή του DIPA. Μπορεί επιπλέον να σχεδιάσει και να χρησιμοποιήσει τους δικούς του διαιρέτες συχνότητας, τον δικό του phase/frequency comparator και ακόμη να επιλέξει μέσα από μία ευρεία περιοχή στοιχείων (αντιστάσεις πυκνωτές) για την υλοποίηση του φίλτρου του συνθέτη. Εκτιμούμε ότι το αποτέλεσμα αυτής της διπλωματικής εργασίας θα συμβάλει σημαντικά στην κατανόηση του βρόχου κλειδωμένης φάσης και του συνθέτη συχνοτήτων από τους φοιτητές, και επιπλέον θα διευκολύνει σημαντικά την υλοποίηση και πειραματική επιβεβαίωση νέων διατάξεων βασισμένων σε βρόχο κλειδωμένης φάσης. / The aim of this dissertation is the development and implementation of the appropriate hardware and software for enabling the study of the PLL based frequency synthesis techniques using the facilities of the RMCLab (Remote Monitored and Controlled Lab.). The RMCLab user is now able to study deeply on the well known techniques of frequency synthesis as Integer N, Fractional or ΣΔ, since the developed system enables him to access and customize any of the synthesizer components (dividers, phase/frequency detector, filter). Additionally, the system allows the user to apply new appeared frequency synthesis techniques such as the DIPA technique, or even to develop and experiment on his own ideas regarding frequency synthesis. It is anticipated that the system developed under this dissertation will enable students to deeply understand on the theory of phase locked loop and practice on various frequency synthesis techniques.

Αυτή η εργασία ασχολείται και αναλύει τα χαρακτηριστικά του συστήματος Controlled Acoustical Bass System (C.A.B.S.), το οποίο είναι ένα σύστημα βελτίωσης της ακουστικής κλειστών χώρων σε χαμηλές συχνότητες, χρησιμοποιώντας πολλαπλά ηχεία και μια τεχνική διόρθωσης βασισμένη στην ανάλυση του ηχητικού πεδίου στο χρόνο. Πριν όμως προχωρήσουμε σε οποιαδήποτε ανάλυση, θα πρέπει πρώτα από όλα να ορίσουμε πιο ακριβώς είναι το πρόβλημα που δημιουργείται στις χαμηλές συχνότητες σε κλειστούς χώρους, καθώς και ποίες μέθοδοι χρησιμοποιούνται για να το αντιμετωπίσουν. / -

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη της τεχνικής μετάδοσης OFDM. Η τεχνική OFDM είναι πια μια ώριμη τεχνολογία με αποδεδειγμένη ικανότητα να προσφέρει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων με ιδιαίτερα μεγάλη αποτελεσματικότητα ακόμα και σε δύσκολα περιβάλλοντα μετάδοσης. Αυτό αντικατοπτρίζεται και από την πολύ μεγάλη διείσδυσή της στην αγορά με ενσωμάτωσή της σε πολλά εμπορικά προϊόντα. Όμως οι σύγχρονες ανάγκες επικοινωνιών επιτάσσουν ακόμα πιο μεγάλη αποτελεσματικότητα στην μετάδοση δεδομένων και πλέον συστήματα και λύσεις που προτάθηκαν πριν 2 με 3 χρόνια θεωρούνται αναποτελεσματικά. Κύριο σημείο για την αύξηση της αποτελεσματικότητας αποτελεί η δυνατότητα προσαρμογής του συστήματος στις συνθήκες μετάδοσης. Οι συνθήκες μετάδοσης χαρακτηρίζονται κυρίως από το ασύρματο κανάλι. Για να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα το σύστημα θα πρέπει να είναι ικανό να εκτιμά τα κύρια χαρακτηριστικά του ασύρματου καναλιού και στην συνέχεια να προσαρμόζει ανάλογα τα χαρακτηριστικά μετάδοσης. Ένα τέτοιο προσαρμοστικό σύστημα έχει σημαντικό πλεονέκτημα απέναντι σε ένα μη προσαρμοστικό σύστημα το οποίο αντιμετωπίζει την κάθε περίπτωση με έναν ενιαίο μη βέλτιστο τρόπο. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο συναντάται σε όλα τα συστήματα και στο OFDM, είναι η διαφορά της απόδοσης των αλγορίθμων ανάμεσα στην εξομοίωση τους σε λογισμικό και στην υλοποίηση τους σε υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει τρεις στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι να μελετηθεί το κανάλι μετάδοσης και να διερευνηθούν τα κύρια χαρακτηριστικά του. Η εκτίμηση των χαρακτηριστικών αυτών θα αποτελέσει την προσεγγιστική εκτίμηση καναλιού. Στην συνέχεια το σύστημα βασιζόμενο σε αυτά τα χαρακτηριστικά θα μπορεί να προσαρμοστεί κάθε φορά με τον βέλτιστο τρόπο. Αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι να αποφασιστεί ότι οι συντελεστές που περιγράφουν προσεγγιστικά το κανάλι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο, η συχνότητα Doppler, η εξάπλωση καθυστέρησης και ο συντελεστής Κ του καναλιού Ricean και να αναπτυχθούν αλγόριθμοι εκτίμησης για κάθε έναν. Μέσω των προτεινόμενων αλγορίθμων το σύστημα θα μπορεί να εκτιμήσει τις συνθήκες μετάδοσης και να προσαρμοστεί κατάλληλα. Ο δεύτερος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της ακριβούς εκτίμησης καναλιού και η ενίσχυση της απόδοσης του συστήματος μέσω αυτής. Για την μελέτη αυτή επιλέχθηκαν δύο διαφορετικοί τρόποι προσέγγισής της. Η πρώτη προσέγγιση ασχολείται με την λεπτομερή εκτίμηση χαρακτηριστικών του καναλιού όπως ο αριθμός των διαδρομών του και η χρονική τοποθέτησή τους. Στην συνέχεια αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των συντελεστών του καναλιού. Η δεύτερη προσέγγιση ασχολείται με την εκτίμηση καναλιού με την χρήση τεχνικών παρεμβολής. Η μελέτη των τεχνικών παρεμβολής οδήγησε στον προσδιορισμό των βασικών προβλημάτων τους και στην πρόταση νέων τεχνικών εκτίμησης καναλιού. Αρχικά προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης μέσω αντικατάστασης των εικονικών υποφορέων του συστήματος με πιλότους. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μια νέα μαθηματική ανάλυση η οποία προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά της απόδοσής του. Τέλος η απόδοση της εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες. Στην συνέχεια προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης καναλιού μέσω παρεμβολής η οποία χρησιμοποιεί παραπάνω από ένα σύμβολα OFDM για την εκτίμηση του καναλιού. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μία νέα μαθηματική ανάλυση η οποία εμπεριέχει την επίδραση της χρονικής μεταβολής του καναλιού στην απόδοση του συστήματος. Η απόδοση και αυτής της μεθόδου εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε δύσκολες συνθήκες. Τέλος ο τρίτος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας υλοποίησης και βελτιστοποίησης των προτεινόμενων αλγορίθμων εκτίμησης ρεαλιστικά συστήματα υλικού. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε η υλοποίηση μέρους των προηγούμενων προτεινόμενων αλγορίθμων σε ένα σύστημα ψηφιακής επεξεργασίας, το οποίο είναι πολύ κοντά στο να θεωρείται μια ρεαλιστική υλοποίηση. Έτσι είναι εφικτή η μελέτη των επιλογών της υλοποίησης και των συμβιβασμών της για την βέλτιστη απόδοση του συστήματος. / This dissertation deals with the study of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission. OFDM is a mature technology with a proven ability to offer high data transmission rates with particularly big effectiveness even in difficult transmission environments. This is also reflected by its very big infiltration in the market with its incorporation in a lot of commercial products. However the modern needs of communications ordain even bigger effectiveness in data transmission and henceforth systems and solutions that have been proposed 2 or 3 years before are considered ineffective. Main point for the achievement of increase in the effectiveness of the system constitutes the ability of adaptation of the system in the transmission conditions. The transmission conditions are mainly characterized by the wireless channel. In order to achieve the highest effectiveness the system must be able to estimate the channel characteristics and to adjust its transmission characteristics accordingly. Such an adaptive system has a significant advantage compared to a non adaptive system which faces each case with a uniform and not optimal way. Another important problem that all communication systems face, including OFDM, is the difference in the performance of an algorithm between its software simulation and it hardware implementation. The present dissertation has three objectives. The first objective is to study the transmission channel and investigate its main characteristics. The estimation of these characteristics will constitute the coarse channel estimation. Then the system will be able to adapt itself optimally. The result of this study is to decide that the factors that coarsely describe the channel are the signal to noise ratio, the Doppler frequency, delay spread and the Ricean channel K factor. Then new algorithms were developed to estimate each one of these factors. Through the proposed algorithms the system will be able to estimate the transmission conditions and be adapted suitably. The second objective of this dissertation is to study the exact channel estimation and the way that the system performance can be enhanced through it. For this study two different approaches were selected. The first approach deals with the detailed estimation of the channel characteristics such as the number of the paths and their placement in time. Then these elements are used to get the channel estimation coefficients. The second approach deals with the channel estimation through interpolation. The study of interpolation methods led to the determination of their basic problems and the proposal of new channel estimation techniques. Firstly a novel channel estimation is proposed through the replacement of virtual subcarriers with pilots. For this method a novel mathematic analysis is given that determines its performance characteristics. Finally its performance is examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Then another novel channel estimation method through interpolation is proposed that uses more than one OFDM symbol to estimate the channel. For this novel method a novel mathematic analysis is given which includes the effect of the time variant channel. The performance of this method is also examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Finally the third objective is to study the implementation and optimization process of the proposed estimation algorithms in realistic hardware systems. For this it was selected to implement a part of the previously proposed algorithms in a digital signal processing system that is very close to be considered a realistic implementation. This way it is feasible to study the implementation choices that have to be made and the trade offs for the optimum performance of the system.

Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε μία εφαρμογή, η οποία προσδιορίζει τις τρεις πρώτες συχνότητες συντονισμού της φωνητικής κοιλότητας κατά τη διαδικασία της φώνησης φωνηέντων. Οι τρεις αυτές συχνότητες παρέχουν επαρκή πληροφορία για τον προσδιορισμό του φωνήεντου. Η φώνηση εξομοιώνεται με σήμα εισόδου το οποίο παρουσιάζει κορυφές σε αναμενόμενες περιοχές συχνοτήτων. Ο προσδιορισμός των συχνοτήτων συντονισμού στηρίζεται στη μέθοδο βραχύχρονης ανάλυσης Fourier. Η εφαρμογή αναπτύχθηκε σε περιβάλλον μVision της Keil, σε γλώσσα προγραμματισμού C, για τον μικροελεγκτή STM32F103RB της ST Microelectronics. / In the context of this thesis an application was developed, that is capable of estimating the first three formant frequencies (resonances of the vocal tract) in the event of voicing of vowels. These three frequencies provide us enough information to determine the vowel that is voiced. The human voice is being emulated by an input signal which has peaks in the anticipated frequency regions. The formant frequencies are being estimated based on the short-time Fourier analysis method. The application was developed in Keil μVision programming suite, in C programming language, for the STM32F103RB microcontroller by ST Microelectronics.

Καθώς η εξέλιξη της βιοϊατρικής επιστήμης και τεχνολογίας είναι συνεχής και ραγδαία, η έρευνα επικεντρώνεται τόσο στη βελτίωση των κλινικών τεχνικών όσο και στην ανάπτυξη νέων με κυριότερο σκοπό την ακριβέστερη και ασφαλέστερη διάγνωση και θεραπεία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται η χρήση δύο περιοχών του φάσματος, των μικροκυματικών και των ηχητικών συχνοτήτων για διαγνωστικές λειτουργικές εφαρμογές εγκεφάλου. Παρόλο που η χρήση των υπερήχων έχει αξιοποιηθεί στην κλινική εφαρμογή, οι αναφορές για τη χρήση των ηχητικών κυμάτων στις βιοιατρικές εφαρμογές είναι περιορισμένες στη διεθνή βιβλιογραφία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η ανάπτυξη ενός συστήματος για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου στις ηχητικές συχνότητες. Στα δύο πρώτα κεφάλαια περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την επιστήμη του ήχου (ακουστική) αλλά και οι φυσικές αρχές αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τους βιολογικούς ιστούς (δημιουργία και εξέλιξη των φυσικών φαινομένων ανάκλασης, διάθλασης, μετάδοσης και απορρόφησης της ηχητικής δέσμης). Πιο συγκεκριμένα μοντελοποιείται και μελετάται θεωρητικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και οι βασικές αρχές της προτεινόμενης μεθόδου για μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στις ηχητικές συχνότητες καθώς και τα βασικά στοιχεία της πρακτικής της υλοποίησης που περιλαμβάνουν ανάλυση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και των αντίστοιχων μετατροπέων καθώς και το αντίστοιχο σύστημα λήψης ηχητικών σημάτων. Τα μικροκύματα έχουν χρησιμοποιηθεί σε πλήθος διαγνωστικών και θεραπευτικών τεχνικών τόσο σε επίπεδο έρευνας όσο και στην κλινική πράξη. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται θεωρητική μελέτη δύο πολυσυχνοτικών κυρτών προσαρμόσιμων μικροταινιακών τυπωμένων κεραιών για χρήση τους με συστήματα ευαίσθητων δεκτών μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται η βασική τεχνολογία και οι βασικές αρχές λειτουργίας της παθητικής μεθόδου διάγνωσης με μικροκύματα, της μικροκυματικής ραδιομετρίας. Οι προτεινόμενες κυρτές κεραίες μοντελοποιήθηκαν (κεφάλαιο 5) και μελετήθηκαν με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτικού λογισμικού πακέτου HFSS που χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι ιδιότητες εστίασης των κεραιων αυτών σε δύο διαφορετικά μοντέλα κεφαλιού στος εύρος συχνοτήτων 2 – 3.5 GHz. / As the evolution in the field of biomedical science and technology is continuous, the research focuses mainly on the improvement of existent clinical techniques and the development of new ones, aiming to the most accurate and safe diagnosis and treatment. In the present thesis, the usage of two frequency bands is investigated, the microwave and sound frequencies for diagnostic functional brain applications. Despite the fact that ultrasounds have been utilized in clinical practice, the references regarding the application of sound frequencies in medical diagnosis are restrained in international literature. In the present thesis the development of a system for diagnostic brain applications operating at sound frequencies is studied. In the first two chapters the basic principles of acoustics and the physical principles of the interaction of sound waves with biological tissue (including physical phenomena of reflection, diffraction, transmission and absorption of sound) are described. More specifically, the problem of the interaction of sound waves with the human brain tissues is theoretically modeled and studied. In the third chapter theoretical analysis and basic principles of the suggested method are given together with the basic points of its practical implementation that include analysis of the piezoelectric phenomenon, the respective piezoelectric transducers and sound signal receiver. Microwaves have been used in many diagnostic and therapeutic techniques both at research level and in clinical practice. Herein, a theoretical study of two multi-frequency conformal microstrip patch antennas is performed, in order to use them in conjunction with sensitive microwave radiometry receivers. In chapter 4 the basic technology and the basic operation principles of the passive diagnostic method with microwaves (microwave radiometry) are described. The suggested conformal antennas are modeled (chapter 5) and studied using the electromagnetic simulation tool HFSS that implements the finite element method (FEM). The properties of these antennas and their focusing ability on specific brain areas are presented at 2 – 3.5 GHz in two different head models.

Οι μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών μικρής και μεγάλης ισχύος. Στην πλειονότητά τους οι μετατροπείς αυτοί περιλαμβάνουν μαγνητικά στοιχεία (μετασχηματιστές – πηνία), οι απώλειες ισχύος των οποίων καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση της εκάστοτε διάταξης. Είναι λοιπόν μεγάλης σημασίας η ανάπτυξη θεωρητικών μοντέλων, αλλά και πειραματικών μεθόδων, για τον ακριβή προσδιορισμό των απωλειών των μαγνητικών στοιχείων, ώστε να είναι εφικτός ο βέλτιστος σχεδιασμός τους, με τελικό πάντα στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Οι στόχοι της διατριβής κινούνται σε δύο βασικούς άξονες: α) Να γίνει διερεύνηση των φαινομένων που επηρεάζουν τις απώλειες χαλκού σε τυλίγματα που αποτελούνται από στρώσεις αγωγών, αλλά και να αναπτυχθεί ένα μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα αγωγών κυκλικής διατομής με τυχαία κατανομή αυτών στο διαθέσιμο χώρο. β) Να γίνει ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας λήψης πειραματικών μετρήσεων σε μαγνητικά στοιχεία μέσα από τη διερεύνηση των διαφόρων παραγόντων πειραματικών σφαλμάτων και τη σχεδίαση μετατροπέα συντονισμού κατάλληλου για τη διέγερση μαγνητικών στοιχείων με ημιτονοειδή τάση υψηλής συχνότητας. Στο πρώτο μέρος της διατριβής (κεφάλαια Κεφ. 1, Κεφ. 2 και Κεφ. 3) γίνεται μια γενική περιγραφή των φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στα μαγνητικά στοιχεία όταν αυτά διαρρέονται από ρεύμα περιοδικά μεταβαλλόμενο στο χρόνο, τα φαινόμενα δηλαδή της μαγνητικής υστέρησης και της ανάπτυξης δινορρευμάτων στο μαγνητικό υλικό του πυρήνα και τα φαινόμενα επιδερμικό και γειτνίασης, που οφείλονται στην ανάπτυξη δινορρευμάτων στα τυλίγματα. Επίσης, γίνεται παράθεση και αξιολόγηση των σπουδαιότερων ως τώρα θεωρητικών εργασιών που πραγματεύονται τα παραπάνω φαινόμενα και χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των απωλειών που σχετίζονται με αυτά. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, (κεφάλαια Κεφ. 4 και Κεφ. 5) πρώτα γίνεται η παράθεση των τριών κλασικών μοντέλων για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα που απαρτίζονται από στρώσεις και με τη βοήθεια λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων διερευνάται η ακρίβεια και το πεδίο εφαρμογής καθενός εξ’ αυτών. Προκύπτει πως το μοντέλο του Dowell δίνει σαφώς πιο ακριβή αποτελέσματα και πως οι αποκλίσεις των μοντέλων από τα πραγματικά (σύμφωνα με τις προσομοιώσεις) αποτελέσματα οφείλεται στην αδυναμίας τους να λάβουν σωστά υπόψη τη δισδιάστατη ανάπτυξη του μαγνητικού πεδίου και τις πυκνότητας ρεύματος όταν αυξάνεται η συχνότητα ή όταν μειώνεται ο παράγοντας πλήρωσης χαλκού. Διερευνάται το φαινόμενο παρυφής σε τυλίγματα στρώσεων που αποτελούνται είτε από αγωγούς κυκλικής διατομής είτε από φύλλα χαλκού και περιγράφεται ποσοτικά και ποιοτικά η επίδρασή του στην τιμή της ενεργού αντίστασης, η οποία προκύπτει πως εμφανίζεται αυξημένη μόνο σε συχνότητες περί τη βασική αρμονική του ρεύματος. Μελετάται επίσης η γεωμετρική ανάπτυξη του φαινομένου στο χώρο του τυλίγματος και διαπιστώνεται η γενικά επιφανειακή του επίδραση που ελαχιστοποιεί την πιθανή εμφάνιση τοπικής υπερθέρμανσης. Ακόμη, για τυλίγματα στρώσεων με αγωγούς κυκλικής διατομής, αναλύεται η διαφοροποίηση στην τιμή της ενεργού αντίστασης μεταξύ των περιπτώσεων της τετραγωνικής και της εξαγωνικής διάταξης των αγωγών και αναδεικνύεται η μείωσή της στη δεύτερη περίπτωση. Ακολούθως αναπτύσσεται ένα νέο μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα αγωγών κυκλικής διατομής που έχουν τοποθετηθεί στο παράθυρο του μαγνητικού στοιχείου με τυχαίο τρόπο, πράγμα το οποίο αποτελεί μια κοινότυπη σχεδιαστική πρακτική. Για τη διατύπωση της νέας έκφρασης χρησιμοποιούνται τα αριθμητικά αποτελέσματα πληθώρας προσομοιώσεων που έγιναν με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων και αναζητείται η κατάλληλη εξίσωση περιγραφής τους. Η αναζήτηση αυτή στηρίζονται σε μεθόδους ελαχιστοποίησης του σφάλματος, που εδώ εφαρμόζονται με τη βοήθεια κατάλληλων λογισμικών. Η εξίσωση που τελικά προκύπτει είναι απλή και περιέχει μόνο τρεις εύκολα προσδιορίσιμες παραμέτρους σχετιζόμενες άμεσα με γνωστές κατασκευαστικές παραμέτρους. Δείχνεται πως η νέα έκφραση μπορεί να εφαρμοστεί και στην περίπτωση πολύκλωνου αγωγού και διερευνάται ως προς την ευαισθησία της σε σφάλματα μέτρησης κατά τον προσδιορισμό του πάχους του τυλίγματος, ενώ επίσης προτείνεται μια απλούστερη προσεγγιστική έκφραση για τις χαμηλές συχνότητες. Τέλος, η ισχύς της νέας έκφρασης επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραματικών μετρήσεων. Η πρώτη εργασία που παρουσιάζεται στο τρίτο μέρος της διατριβής (κεφάλαια Κεφ. 6 και Κεφ. 7) είναι η σχεδίαση και κατασκευή ενός μετατροπέα συντονισμού κατάλληλου για την τροφοδότηση μαγνητικών στοιχείων με καθαρά ημιτονοειδή τάση υψηλής συχνότητας (ως και 1MHz) και πλάτους αρκετών εκατοντάδων Volt, σε επίπεδα ισχύος αρκετών δεκάδων Watt, για την πραγματοποίηση μετρήσεων σε αυτά. Η θεωρητική και πειραματική διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη λειτουργία του μετατροπέα αναδεικνύει την αλληλένδετη σημασία των σχεδιαστικών επιλογών τόσο στο κύκλωμα ισχύος όσο και στο ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου και οδηγεί στην κατάλληλη διαστασιολόγηση των στοιχείων που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα δύο κυκλώματα έτσι ώστε να γίνει εφικτή η διεύρυνση του φάσματος συχνοτήτων λειτουργίας του μετατροπέα, η ελαχιστοποίηση του αρμονικού περιεχομένου και η μεγιστοποίηση του πλάτους της τάσης εξόδου. Στη συνέχεια περιγράφονται μέθοδοι μετρήσεων των απωλειών μαγνητικών στοιχείων και λήψης του βρόχου υστέρησης του μαγνητικού υλικού των πυρήνων τους. Αναλύονται οι διάφοροι παράγοντες σφάλματος και γίνονται μετρήσεις τόσο για τον προσδιορισμό των ειδικών απωλειών φερρίτη όσο και για τη λήψη του βρόχου υστέρησης φερριτών σε διάφορες συχνότητες. Προτείνονται μεθοδολογίες διόρθωσης του αποτελέσματος για τις απώλειες υστέρησης, όπως αυτές προκύπτουν από το εμβαδόν του μετρούμενου βρόχου υστέρησης, όταν υπάρχει γνωστό σφάλμα φάσης κατά τη λήψη της κυματομορφών της μαγνητικής έντασης και της μαγνητικής επαγωγής. Τέλος, εξηγείται η μείωση στις υψηλές συχνότητες της ενεργού αντίστασης των τυλιγμάτων όταν αυξάνεται η θερμοκρασία και δίνονται κάποια ενδεικτικά γραφικά παραδείγματα για τη σχετική διόρθωση για τυπικές αυξήσεις της θερμοκρασίας σε μαγνητικά στοιχεία. / Power electronics converters are used in a wide range of both low and high power applications. Most of these converters include magnetic components (transformers – inductors), the power losses of which determine in a major degree their efficiency. It is therefore very important to the power electronics converter designers to have available the proper theoretical models and experimental methods for the accurate determination of the magnetic component losses in order to make optimum design choices and achieve an effective energy saving. The present work has a twofold goal: a) To investigate the phenomena affecting the copper losses in windings that consist of conductor layers and to develop a new model for the calculation of copper losses in round cross section conductor windings with random distribution of these conductors in the available core window area. b) To develop a complete methodology of making experimental measurements on magnetics components, through the investigation of the several measurement error factors and to design a resonant converter suitable for the excitation of magnetic components with high frequency sinusoidal voltage. In the first part of this thesis (chapters Ch. 1, Ch. 2 and Ch. 3) there is a general description of the physical phenomena that take place in magnetic components when a periodically time variable current flows through them, i.e. magnetic hysteresis and eddy currents at the magnetic core material and skin as well as proximity effect at the windings, which are due to the development of eddy currents in them. Moreover, there is an overview citation and critical review of the most important by now theoretical works on these issues which are also widely used for the calculation of the losses related to them. In the second part of this thesis (chapters Ch. 4 and Ch.5) there is at first a short review of the three classic models for the calculation of copper losses in windings made of layers and then a finite element software is utilized for the investigation of the accuracy and field of application of each of them. It is shown that Dowell’s model is much more accurate and that the declination of the models from the real (according to simulations) results are due to their inherent inability to properly take into account the two-dimensional distribution of the magnetic field and the current density when the frequency increases or when the filling factor value decreases. The edge effect in layered windings with either round cross section or foil conductors is investigated and a qualitative as well as quantitative description of its effect on the effective resistance is given, showing that there can be an increase in it only at frequencies close to the fundamental frequency of the current waveform. There is also a study about the geometrical extent of the edge effect in the winding volume and it is concluded that the winding is generally affected only on its outer parts, a fact that minimizes the possibility for a hot spot to appear. Moreover, for layered windings with round cross section conductors, a study is carried out about the difference in the effective resistance between the cases of square and hexagonal fit schemes and it is shown that in the second case there can be an appreciable power loss reduction. Following this work, is the development of a new model for the calculation of copper losses in round cross section conductor windings with the several turns placed with a random manner in the available core window area, which is a common design choice. For the extraction of the new expression a computer aided curve fitting process has been applied on a large amount of numerical data coming from finite element simulations. The final equation of the model is simple and incorporates only three easily determinable parameters, directly related to known constructive parameters. It is shown that the new expression can also be applied in the case of stranded wire windings. Its sensitivity to the winding height measurement errors is investigated and a low frequency approximation is proposed. At last, the new expression is validated with experimental measurements. The first work presented in the third part of this thesis (chapters Ch. 6 and Ch. 7) is the design and construction of a resonant converter suitable for the excitation of magnetic components with a clearly sinusoidal voltage of high frequency (up to 1MHz) and amplitude of several hundreds volts, at several tenths of Watts power level, for the implementation of experimental measurements. The theoretical and experimental investigation of the factors affecting the converter performance reveals the interrelated importance of the design choices in the resonant tank and the electronic control board and leads to the proper component selection in both these circuits so as to expand the operating frequency range, minimize the harmonic distortion and maximize the amplitude of the output voltage. Following that, there is a description of the methods available to measure the power losses of magnetic components and acquire the hysteresis loop of their magnetic cores. The several error factors are analyzed and measurements are taken in order to determine the power losses and monitor the hysteresis loop of ferrite materials at several frequencies. Some methods are proposed for the correction of the measured hysteresis losses, if these are determined from area of the hysteresis loop, in the case of a known phase error when recording magnetic intensity or magnetic induction. At last, the reduction with temperature of ohmic resistance at high frequencies is explained and some indicative graphical examples are given for the correction in its calculated value for some typical magnetic component temperature rise values.