Практическое руководство по катушкам индуктивности

Большинство проводящих материалов (металлов) является парамагнитными или ферромагнитными, в то время как большинство непроводящих материалов (неметаллов) является диамагнитными. Любой проводник обладает некоторой индуктивностью в ответ на изменение величины или направления протекания тока. Даже обычный прямой провод имеет индуктивность, хотя она достаточно мала, чтобы пренебрегать ею. Если провод свернуть в петлю — его индуктивность увеличится. Чем больше сделать таких одинаковых витков, тем большая индуктивность будет присуща проводу. Индуктивность одиночной петли или катушки из провода может быть многократно увеличена с помощью подходящего ферромагнитного сердечника.

Простейшими катушками индуктивности являются катушки с воздушным сердечником (рисунок 1). Они сделаны путем намотки провода вокруг пластмассового, деревянного или любого не ферромагнитного сердечника. Индуктивность катушки зависит от числа витков, радиуса и общей формы, также она пропорциональна числу витков и диаметру катушки.

Индуктивность обратно пропорциональна длине провода для заданного диаметра катушки и числу витков. Итак, чем ближе будут витки, тем больше будет индуктивность. Электропроводность катушек индуктивности зависит от материала и толщины провода. Потери (в виде тепла) в значительной степени зависят от материала, используемого в качестве сердечника.

 

Рис. 1. Пример катушки индуктивности с воздушным сердечником 

Катушки с воздушным сердечником имеют небольшую индуктивность, которая может составлять максимум 1 мГн. Катушки с воздушным сердечником могут быть рассчитаны так, что будут пропускать через себя ток практически неограниченной величины при условии использования проводника большой длины, смотанного в катушку большого радиуса. Такие катушки индуктивности практически не вносят потерь, так как воздух не рассеивает много энергии в виде тепла. Чем выше частота переменного тока, тем меньше индуктивность, необходимая для получения значительных эффектов.

Таким образом, катушки индуктивности с воздушным сердечником вполне подходят для применения в высокочастотных цепях переменного тока благодаря отсутствию потерь, способности пропускать через себя большие токи и достаточным значениям индуктивности.

При использовании железных или ферритовых сердечников индуктивность может быть значительно увеличена. Однако порошкообразный, железный или ферритовый сердечник вносит значительные потери электрической энергии в виде тепла. Использование ферромагнитных сердечников также ограничивает максимальную величину рабочего тока катушек индуктивности. В ферромагнитных сердечниках насыщение происходит при протекании максимального рабочего тока. При увеличении тока сверх этого критического значения индуктивность может начать уменьшаться. При больших токах ферромагнитные сердечники могут достаточно сильно нагреваться, что может привести к их разрушению и необратимому существенному изменению номинальной индуктивности катушки.

Соленоид против катушек индуктивности

 

Соленоиды часто путают с катушками индуктивности. Соленоиды — это катушки проводов, которые предназначены для использования в качестве электромагнитов. Многие индукторы также являются катушками проводов, но они предназначены для обеспечения индуктивности в электрической цепи. Катушки индуктивности цилиндрической формы также называют соленоидными катушками, но только из-за их конструкции, схожей с конструкцией соленоида. Тем не менее, они не предназначены для использования в качестве электромагнита. Соленоиды специально используются в качестве электромагнитов и обычно имеют подвижный или статический сердечник. Обычно соленоиды используются в качестве электромагнитов в электрических звонках, электродвигателях, работающих на постоянном токе, и в реле.

Соленоидные катушки как индуктивности

 

Простейшими и наиболее распространенными индуктивностями являются соленоидные катушки. Эти индуктивности представляют собой цилиндрические катушки, намотанные вокруг диамагнитного или ферромагнитного сердечника. Они являются самыми простыми с точки зрения проектирования и изготовления.

Соленоидная, или цилиндрическая катушка может быть легко использована для подстройки величины индуктивности, если в конструкцию интегрировать механизм перемещения ферромагнитного сердечника катушки внутрь и наружу. Путем перемещения сердечника внутрь катушки и обратно можно изменять ее эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Это называется настройкой магнитной проницаемости и используется для подстройки частот в радиочастотных схемах.

Сердечник можно сделать подвижным, прикрепив его к винтовому валу и закрепив гайкой на другом конце катушки. Когда вал винта вращается по часовой стрелке — сердечник перемещается внутрь катушки, увеличивая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Когда вал винта вращается против часовой стрелки — сердечник выдвигается, уменьшая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности.

Тороиды как катушки индуктивности

Сегодня еще одной наиболее распространенной формой катушек индуктивности является тороид. Тороиды имеют кольцевой ферромагнитный сердечник, на который намотан провод. Тороиды нуждаются в меньшем числе витков и физически меньше при той же величине индуктивности и рабочей величине тока, по сравнению с соленоидными катушками (рисунок 2). Другим важным преимуществом тороидов является то, что магнитный поток находится внутри сердечника, что позволяет избежать нежелательной взаимной индуктивности.

Рис. 2. Сильноточные тороидальные катушки индуктивности 

Однако намотать провод на тороид сложно. Регулировать магнитную проницаемость тороида еще сложнее. Проектирование катушек с тороидальным сердечником и переменной величиной индуктивности требует реализации громоздкой и сложной конструкции. В цепях, где требуется взаимная индуктивность, катушки должны быть намотаны на один и тот же сердечник в случае, если тороид используется в качестве катушки индуктивности.

Индуктивности на основе чашеобразных Р-сердечников*

 

В типичных катушках индуктивности — соленоидных и тороидных — провод намотан вокруг ферромагнитного сердечника. Катушки индуктивности на основе чашеобразных сердечников – это другой тип индуктивностей, в котором обмотка катушки находится внутри ферромагнитного сердечника. Чашеобразный ферромагнитный сердечник имеет форму двух половин в виде чаш со специальным цилиндрическим выступом (керном) на дне одной из половин, на котором размещается обмотка. Обе половины имеют отверстия, из которых извлекается провод катушки. Вся сборка скрепляется болтом и гайкой.

Катушки данного типа, как и тороиды, обладают большой индуктивностью и электропроводностью при небольших габаритах и меньшем числе витков. Магнитный поток, как и в случае с тороидами, остается внутри. Таким образом, нет нежелательной взаимной индуктивности с сердечниками. Опять же, как и в случае с тороидами, очень трудно варьировать величину индуктивности катушек данного типа. Изменять величину индуктивности в катушках индуктивности на основе Р-сердечников возможно только путем изменения числа витков и при использовании отводов в разных точках катушки.

*- В литературе также встречается термин “Р-сердечник закрытого типа”. В ГОСТ 19197-73 данному типу сердечников присвоено название – “броневой”.

Линия передачи как индуктивность

В цепях постоянного тока катушки индуктивности ведут себя почти так же, как и обычный провод, обладая незначительным сопротивлением, но не более того. Таким образом, они находят применение преимущественно в электрических цепях переменного тока. В аудиосхемах в качестве индуктивностей обычно используются тороиды, катушки на основе круглых чашеобразных сердечников или аудиотрансформаторы. Номинал индуктивности, применяемый в таких электрических цепях, варьируется от нескольких мГн до 1 Гн. Катушки индуктивности вместе с конденсаторами используются в аудиосхемах для подстройки. В настоящее время микросхемы практически полностью вытеснили катушки индуктивности и конденсаторы в аудиосистемах и других подобных областях применения.

При увеличении частоты должны использоваться индуктивности с сердечниками меньшей проницаемости. На нижнем конце радиочастотного спектра используются те же катушки индуктивности, что и в аудиоприложениях. На частотах до нескольких МГц весьма распространены катушки индуктивности с тороидальным сердечником. Для частот 30…100 МГц предпочтительны катушки с воздушным сердечником. Для частот более 100 МГц в линии передачи используются высокочастотные индуктивности и специальные трансформаторы. Линии передачи малой длины (четверть длины волны сигнала или меньше) сами могут быть использованы в качестве индуктивности для подстройки частоты радиосигналов. Линия передачи, используемая в качестве подобной индуктивности, обычно представляет собой коаксиальный кабель.

Индуктивности в цепях постоянного тока

Катушки индуктивности практически бесполезны в цепях постоянного тока. Однако можно предположить, что катушка индуктивности, подключенная к цепи постоянного тока, может быть полезна для понимания принципов ее работы и особенностей поведения пульсирующих напряжений постоянного тока. Предположим, что обычная катушка индуктивности подключена к источнику напряжения через ключ. При замыкании ключа на индуктивность подается напряжение, вызывающее быстрое изменение протекающего через нее тока. Когда приложенное напряжение увеличивается от нуля до пикового значения (за короткое время), индуктивность противодействует изменяющемуся через нее току, индуцируя напряжение, противоположное по полярности приложенному напряжению. Индуцированное напряжение при подаче питания на катушку индуктивности называется обратной ЭДС и определяется по формуле 1:

V_L = – L*(di/dt),   (1)

где:

• V_L – напряжение (обратная ЭДС), индуцированная на катушке;
• L – индуктивность катушки;
• di/dt – скорость изменения тока во времени.

Согласно приведенной формуле 1, внезапное изменение тока через катушку индуктивности дает бесконечное напряжение, что физически невозможно. Таким образом, ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно. Ток сталкивается с влиянием индуктивности при каждом небольшом изменении его величины и медленно возрастает до своего пикового постоянного значения. Итак, в начальный момент времени катушка индуктивности представляет собой разрыв цепи, когда переключатель замкнут. Обратная ЭДС наводится на катушку индуктивности до тех пор, пока изменяется значение протекающего через нее тока. Индуцированная обратная ЭДС всегда остается равной и противоположной возрастающему приложенному напряжению. Когда напряжение и ток от источника приближаются к постоянному значению, обратная ЭДС падает до нуля, а катушка индуктивности начинает вести себя как обычный провод. При подаче напряжения на катушку индуктивности мощность, запасенная ею, определяется по формуле 2:

P = V * I = L*i*di/dt,   (2)

где:

• P – электрическая мощность, запасенная в катушке;
• V – величина пикового напряжения на катушке индуктивности;
• I – величина пикового тока, протекающего через катушку индуктивности.

Энергия, запасенная индуктивностью при подаче напряжения, определяется по формуле 3:

W = ?P.dt = ?L*i*(di/dt)dt = (1/2)LI²,   (3)

где:

• W – электрическая энергия, запасенная в катушке индуктивности в виде магнитного поля;
• I – максимальное значение тока, протекающего через катушку.

Когда происходит отключение источника напряжения (путем размыкания ключа), напряжение на индуктивности падает с постоянного пикового значения до нуля. В отличие от конденсаторов, при отключении источника напряжения напряжение на индуктивности не поддерживается. Фактически оно уже упало до нуля, тогда как ток, проходящий через него стал постоянным. Теперь, когда приложенное напряжение падает от пикового постоянного значения до нуля, ток, протекающий через катушку индуктивности, также падает с постоянного пикового значения до нуля. Катушка противодействует падению тока, вызывая прямую ЭДС в направлении приложенного напряжения. Из-за индуцированной прямой ЭДС ток, проходящий через катушку индуктивности, падает до нуля с более медленной скоростью. Как только ток уменьшается до нуля, прямая ЭДС также падает до нуля.

Таким образом, при подаче напряжения питания электрическая энергия преобразовывалась в магнитное поле в катушке индуктивности, что было очевидно по обратной ЭДС, индуцированной на ней. При отключении напряжения питания та же самая электрическая энергия возвращается индуктором в цепь в форме прямой ЭДС. Всякий раз, когда напряжение на катушке индуктивности увеличивается, возникает обратная ЭДС, а всякий раз, когда напряжение на катушке уменьшается, возникает прямая ЭДС.

На практике обратная или прямая ЭДС, которая наводится на катушке индуктивности, во много раз больше приложенного напряжения. Если источник индуктивности подключен к источнику напряжения или катушка индуктивности подключена к цепи постоянного тока без какой-либо защиты, электрическая энергия, возвращаемая при размыкании переключателя, выделяется в виде скачка напряжения или искры на контактах переключателя. Если индуктивность или ток в цепи достигают достаточно больших значений, то энергия выделяется в форме дуги или искры на контакте переключателя и может даже сжечь или расплавить его. Этого можно избежать, используя резистор и конденсатор, соединенные в RC-цепь и включенные последовательно с контактом переключателя. Такая RC-цепь называется снабберной и позволяет электрической энергии, выделяемой катушкой индуктивности, заряжать и разряжать конденсатор, поэтому она не повреждает другие компоненты. Во многих электрических цепях для сохранения компонентов схемы от обратной или прямой ЭДС катушек индуктивности или соленоидов используются защитные диоды.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Катушка индуктивности противодействует любому изменению тока, который протекает через нее, а переменный ток, в свою очередь, отстает на 90° от напряжения. В начальный момент времени, когда напряжение источника подается на катушку, ток через нее протекает максимальный, но в противоположном направлении. При подаче напряжения ток протекает через катушку индуктивности из-за индуцированной обратной ЭДС, которая противоположна приложенному напряжению. Индуцированное на катушке напряжение всегда равно и противоположно по знаку приложенному напряжению в любой момент времени. Когда приложенное напряжение возрастает от нуля до пикового значения, ток через катушку падает от максимума до нуля.

Когда прикладываемое напряжение падает от максимального значения до нуля, то на катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляя ток противоположного направления расти от нуля до пикового значения. Когда приложенное напряжение меняет полярность и возрастает до пикового значения, ЭДС снова индуцируется на катушке, вызывая падение обратного тока от пикового значения до нуля. Когда приложенное напряжение снова падает до нуля в обратном направлении, в катушке индуцируется прямая ЭДС, заставляющая ток снова расти от нуля до максимального значения в противоположном направлении. Это продолжается для каждого цикла протекания переменного тока.

Индуктивное сопротивление

Противодействие протекающему току из-за наличия индуктивности называется индуктивным сопротивлением. Амплитуда тока через катушку индуктивности обратно пропорциональна частоте приложенного напряжения. Поскольку напряжение на катушке (обратная или прямая ЭДС) пропорционально индуктивности, то амплитуда тока также обратно пропорциональна величине индуктивности. Итак, противодействие току из-за наличия индуктивности в виде индуктивного сопротивления определяется по формуле 4:

X_L = 2?fL= ?L   (4)

Соответственно, пиковая амплитуда тока, проходящего через катушку индуктивности, определяется по формуле 5:

I_peak = V_peak/X_L= V_peak/ ?L,   (5)

где:

• I_peak – пиковое значение переменного тока, протекающего через катушку индуктивности;
• V_peak – пиковое значение переменного напряжения, приложенного к катушке;
• X_L – индуктивное сопротивление.

Как резистивное и емкостное сопротивление, так и единица индуктивного сопротивления измеряется в омах. Следует отметить, что в электрических цепях нет потерь энергии из-за наличия емкостного или индуктивного сопротивления, что нельзя сказать об обычном резистивном сопротивлении. Тем не менее, реактивное сопротивление может ограничивать уровни тока через конденсатор или катушку индуктивности.

Применение катушек индуктивности

Катушки индуктивности используются в электрических цепях переменного тока. Они обычно применяются в аналоговых схемах, схемах обработки сигналов и в системах телекоммуникаций, а также используются вместе с конденсаторами для создания фильтров различных топологий. В телекоммуникационных системах индуктивности применяются в составе специальных фильтров, которые нужны для подавления возможных бросков напряжения и предотвращения утечки информации через линии системы электропитания.

Трансформаторы, которые используются для повышения или понижения напряжения переменного тока, состоят из двух катушек индуктивности, объединенных в единую конструкцию определенным образом. Индуктивности также используются для временного хранения электрической энергии в цепях выборки-хранения и источниках бесперебойного питания. В цепях электропитания катушки индуктивности (где они называются фильтрующими дросселями) используются для сглаживания пульсирующих токов.

Поведение индуктивности при прохождении через нее сигнала можно определить следующим образом:

• Всякий раз, когда приложенное к катушке индуктивности напряжение увеличивается, катушка генерирует обратную ЭДС, в результате чего ток через нее падает с максимального значения до нуля или даже ниже этого уровня. Всякий раз, когда прикладываемое напряжение уменьшается, катушка создает прямую ЭДС, в результате чего ток через нее повышается с нуля или текущего уровня до максимального значения или даже до более высокого.
• Обратная или прямая ЭДС сохраняется на катушке индуктивности до тех пор, пока приложенное напряжение, а следовательно и ток через нее изменяются. Когда приложенное напряжение достигает определенного постоянного значения, обратная или прямая ЭДС падает до нуля, и постоянный ток протекает через катушку индуктивности без какого-либо противодействия, как в обычном соединительном проводе.
• Из-за наличия индуктивности скорость изменения тока в цепи замедляется. Если сигнал переменный, то ток всегда будет отставать от напряжения на 90° из-за наличия индуктивности.
• Благодаря индуктивному или емкостному сопротивлению потери энергии отсутствуют. Энергия, запасенная катушкой индуктивности в форме магнитного поля или конденсатором в форме электростатического поля, возвращается обратно в цепь, как только приложенное напряжение падает до нуля или меняет полярность. Однако из-за реактивного сопротивления пиковый уровень тока (амплитуда сигнала) ограничен.

Источник: https://www.engineersgarage.com

Автор: Нихил Агнихотри Переводчик: Алексей Катков (г. Санкт-Петербург)

Разделы: Дроссели

Опубликовано: 30.01.2020

7. Влияние сердечника на параметры катушек индуктивности.

Введение магнитного сердечника увеличивает индуктивность КИ. Это равносильно тому, что КИ при заданной индуктивности имеют меньшее число витков, малую длину провода, небольшие размеры. Дополнительным их преимуществом является возможность подстройки величины индуктивности в небольших пределах путем перемещения специального сердечника.

8. Влияние экрана на параметры катушек индуктивности.

Наличие экрана приводит к изменению основных свойств катушек индуктивности: уменьшается индуктивность, увеличивается сопротивление и собственная емкость, уменьшается добротность. Степень изменения параметров катушки зависит от соотношения размеров катушки и экрана.

9. Особенности конструирования высокодобротных катушек.

С увеличением частоты потери возрастают, проницаемость падает, что приводит к уменьшению добротности. Потери, вносимые сердечником в катушку, состоят из потерь на гистерезис, частотных и диэлектрических потерь. Приближенно можно считать, что добротность КИ с сердечником в раз больше добротности катушки с той же индуктивностью, но без сердечника

Тороидальные сердечники позволяют получать высокодобротные катушки с Q= 400-500. Их основные недостатки — сложность намотки и невозможность подстройки

10. Особенности конструирования высокостабильных катушек.

Для высокостабильных КИ применяются специальные способы намотки: тугая, горячая и осажденная. Тугая намотка производится со значительным натяжением. При горячей намотке провод нагревается до 120…180°С и незначительно натягивается. В КИ с осажденной обмоткой витки образуются нанесением слоя металла на поверхность керамического каркаса методом вжигания и последующего гальванического наращивания.

11. Зависимость параметров катушек от частоты.

С повышением частоты возрастают потери в катушках индуктивности, обусловленные поверхностным эффектом, излучением энергии, токами смещения в изоляции обмотки и каркасе, вихревыми токами в сердечнике. Поэтому действующее активное сопротивление R катушки может заметно превышать её сопротивление R_L, измеренное омметром. От частоты f зависит и добротность катушки: Q = 2πfL/R.

Что показывают расчёты нашей лабораторной работы:

рис1 рис2 рис3

Где 1- частота 18 МГц

2- частота 35 МГц

Рис 1 Сопротивление потерь

Рис 2 Индуктивность

Рис 3 Добротность

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ НА ОБРАЗЦЫ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Образец	№ 4
Обмотка	С шагом
Сердечник	Нет
Экран	Алюмин.
Число витков	7
Диаметр, см	0,6
Длина, см	—
Шаг намотки, мм	1
Диам, провода, мм	0,4
Частота измерения, МГц	18,22,26,30,34

Таблица 1 – Результаты измерений и расчетов

f, МГц	Q	C, пФ	Со,пФ	L, мкГ	R, Ом
18	58	403. 5	1.525	0.19	0.37
35	86	105.6	1.525	0.19	0.48

Порядок расчета характеристик катушек индуктивности

Рассчитать значение собственной емкости катушки по формуле:

,

=1,525 пФ

где — значения частот из таблицы, — соответствующие им значения емкости измерительного конденсатора.

Результаты расчетов занести в таблицу 1.

Рассчитать значения индуктивности катушки на использованных частотах, применяя формулу:

,

=0,19 мкГ

=0. 19 мкГ

где С – значения емкости измерительного конденсатора из таблицы.

Результаты расчетов занести в таблицу 1.

Рассчитать сопротивление потерь на всех частотах:

Ом

0,48 Ом

где Q — значения добротности из таблицы.

Результаты расчетов занести в таблицу 1.

Выводы: В ходе лабораторной работы я изучил характеристики и эксплуатационные особенности Катушек Индуктивности (КИ), освоил практические методики расчёта параметров индуктивности.

Так же наблюдал отношение сопротивления, и добротности от частоты

При повышении частоты, повышается так же сопротивление потерь, а так же повышается добротность КИ, подробнее описал в 11 контрольном вопросе

Сердечники индуктивности

: выбор материала и формы

В этой статье проводится сравнение порошковых и ферритовых сердечников компании Magnetics при использовании в катушках индуктивности, включая малые и большие катушки индуктивности постоянного тока и большие катушки индуктивности переменного тока. Для получения дополнительной помощи в выборе сердечника (сердечников) Magnetics для использования в конкретных конструкциях индукторов загрузите наш инструмент для проектирования индукторов или обратитесь в компанию Magnetics с запросом на индивидуальную конструкцию индуктора.

 

Введение

Катушка индуктивности представляет собой токофильтрующее устройство. Сопротивляясь изменению тока, индуктор фильтра по существу накапливает накопленную энергию по мере того, как переменный ток достигает максимума в каждом цикле, и высвобождает эту энергию по мере того, как он минимизируется. Силовые индукторы требуют наличия воздушного зазора внутри конструкции сердечника. Целью зазора является сохранение энергии и предотвращение насыщения сердечника под нагрузкой. Другой способ выразить функцию воздушного зазора состоит в том, что он уменьшает и контролирует эффективную проницаемость магнитной структуры. Поскольку µ = B/H, чем ниже значение µ, тем большее значение H (или тока), поддерживаемое на уровне B, меньшем, чем максимальное значение плотности потока (Bsat), присущее магнитному материалу . Одним из ограничений конверта является то, что Bsat не сильно варьируется. Физика магнитно-мягких материалов приводит к тому, что коммерчески полезные материалы находятся в диапазоне примерно от 0,3 Тл до 1,8 Тл в Bsat.

Зазор силового индуктора может быть реализован одним из двух способов: дискретным или распределенным. Материалы с распределенным зазором представляют собой порошковые сердечники. На микроскопическом уровне зерна порошка магнитного сплава отделены друг от друга связующей изоляцией или высокотемпературной изоляцией, покрывающей каждое зерно. (Это не уровень магнитных доменов; домены значительно меньше зерен порошкового сердечника.) Распределение зазора по всей структуре порошкового сердечника служит двум основным целям: (1) устранение недостатков дискретной структуры зазора, таких как резкое насыщение, потери на окантовку и электромагнитные помехи, а также (2) контроль потерь на вихревые токи, чтобы можно было использовать сплавы с более высоким содержанием Bsat на относительно высоких частотах, несмотря на сравнительно низкое объемное удельное сопротивление сплава.

Дискретные зазоры чаще всего используются в ферритовых сердечниках. Основным преимуществом феррита в производительности являются низкие потери в сердечнике по переменному току на высокой частоте из-за высокого удельного сопротивления керамического материала по сравнению с металлическими сплавами. Ферриты находятся в нижней части доступного диапазона для Bsat, и они значительно смещаются вниз по Bsat с повышением температуры. Структура с дискретным зазором приводит к тому, что индуктор достигает резкой точки насыщения, что требует большого запаса в конструкции. Дискретные зазоры также приводят к тому, что катушки индуктивности уязвимы к потерям вихревых токов в катушке из-за краевого эффекта и к возникновению электромагнитных помех. Дискретные промежутки также используются в сердечниках из аморфной и нанокристаллической ленты, намотанных в нарезанные сердечники, которые имеют улучшенные характеристики потерь переменного тока по сравнению с порошковыми сердечниками, но часто имеют более низкую стоимость.

Разработчик катушки индуктивности должен соответствовать требованиям к накоплению энергии (индуктивности), а также требованиям к общим потерям, пространству, стоимости, электромагнитным помехам, отказоустойчивости, температурным характеристикам и надежности. Во многих случаях порошковые сердечники имеют явное преимущество. Тогда у конструктора есть множество вариантов выбора среди пороховых сердечников.

Свойства материала сердечника

Сердечники

MPP (порошок молибдена) представляют собой тороидальные сердечники с распределенным воздушным зазором, изготовленные из порошка сплава никеля, железа и молибдена. MPP демонстрирует самые низкие потери в сердечнике из материалов с порошковым сердечником, но имеет самую высокую стоимость сердечника из-за затрат на обработку и содержания 80% никеля. Тороиды MPP доступны с внешним диаметром от 3,5 мм до 125 мм.

Сердечники

High Flux представляют собой тороидальные сердечники с распределенным воздушным зазором, изготовленные из порошка сплава никеля и железа. Содержащий 50% никеля и с затратами на обработку, сравнимыми с MPP, цена High Flux обычно на 5–25% ниже, чем у MPP. High Flux демонстрирует более высокие потери в сердечнике, чем MPP и Kool Mμ, но из-за более высокого значения Bsat High Flux демонстрирует наилучшие характеристики по проницаемости и смещению. Другими словами, более высокое значение Bsat обеспечивает лучшую стабильность индуктивности (наименьший сдвиг) при высоком постоянном смещении или высоком пиковом переменном токе. Как и сердечники MPP, High Flux не имеет других форм, кроме тороидальных.

Сердечники

Kool Mμ ^® (или «сендуст») представляют собой сердечники с распределенным воздушным зазором, изготовленные из порошка сплава железа, алюминия и кремния. Материал Kool Mμ аналогичен по характеристикам смещения постоянного тока материалу MPP. Отсутствие никеля в рецептуре помогает сделать Kool Mμ намного экономичнее, чем MPP. Основной компромисс заключается в том, что Kool Mμ имеет более высокие потери переменного тока, чем MPP. Он разработан как практичная альтернатива, когда железный порошок имеет слишком большие потери, обычно потому, что частота умеренная или высокая, но MPP слишком дорог. В дополнение к тороидам, Kool Mμ доступен с формой сердечника E, так что затраты на обмотку также могут быть минимизированы.

Сердечники

XFlux ^®  – это сердечники с распределенным воздушным зазором, изготовленные из порошка кремний-железного сплава. Материал XFlux демонстрирует несколько лучшие характеристики смещения постоянного тока, чем High Flux, и намного лучшие, чем MPP или Kool Mμ. Отсутствие никеля в составе делает XFlux намного более экономичным, чем материалы MPP или High Flux. Основной компромисс заключается в том, что XFlux имеет более высокие потери переменного тока, чем High Flux. Он разработан в качестве альтернативы, когда железный порошок имеет слишком большие потери или отсутствует смещение постоянного тока, или когда никелевые сплавы слишком дороги или не имеют смещения постоянного тока. В дополнение к тороидам, XFlux доступен с E-образным сердечником, U-образным сердечником и блочной формой, так что затраты на обмотку также могут быть сведены к минимуму.

Порошковые сердечники

Kool Mu ^® MAX, изготовленные из сплава железа, кремния и алюминия, являются отличным выбором для конструкций с низкими потерями в сердечнике, сохраняя при этом превосходные характеристики смещения по постоянному току. Сердечники Kool Mµ MAX, имеющие цену между Kool Mµ и High Flux, оказались экономически эффективными для различных приложений. Тороиды Kool Mµ MAX из новейшего материала компании Magnetics в настоящее время доступны с проницаемостью 26 мкм, 40 мкм и 60 мкм и с внешним диаметром от 13,5 до 134 мм.

	МПП	Высокий поток	Кул Мµ	XFlux	Серия 75	Kool Mµ MAX
Проницаемость	14-300	14-160	14-125	26-60	26-60	26-60
Насыщенность (B насыщенность )	0,7 Т	1,5 т	1,0 т	1,6 т	1,5 т	1,0 т
Максимальная температура (°C)	200	200	200	200	200	200
Потери в сердечнике переменного тока	Самый низкий	Умеренный	Низкий	Высокий	Низкий	Очень низкий уровень
Формы сердцевины	Тороид	Тороид	Тороид, E, U, Блок	Тороид, E, блок	Тороид	Тороид
Смещение постоянного тока	Лучше	Лучший	Хорошо	Лучший	Лучше	Лучше
Состав сплава	FeNiMo	FeNi	ФеСиАл	ФеСи	ФеСиАл	ФеСиАл

Таблица 1: Сравнение материалов сердечника

Сердечники из железного порошка

имеют более высокие потери в сердечнике, чем MPP, High Flux или Kool Mμ, но, как правило, они дешевле. Железный порошок часто является лучшим выбором для силового индуктора, когда не требуется высочайшая эффективность и наименьший размер, но важна стоимость; или когда частота достаточно низкая; или когда амплитуда пульсаций переменного тока очень низкая (что приводит к очень низкому потоку переменного тока и, следовательно, к достаточно низким потерям переменного тока). Большинство сердечников из железного порошка содержат органическое связующее для межзерновой изоляции, которая подвержена пробою через время работы при высокой температуре, поэтому разработчику может потребоваться учитывать кривые термического старения для рассматриваемого материала железного порошка. Плотность прессования (т. е. давление уплотнения) для железных порошков умеренная, и, следовательно, материалы доступны в различных формах, включая тороидальные, E-образные сердечники, сердечники горшков, U-образные сердечники и стержни. Для катушек индуктивности с очень большим током, если только частота не высока, единственной практической альтернативой может быть большой железный порошок E, U или сердечник горшка.

Ферритовые сердечники с зазором

представляют собой альтернативу порошковым сердечникам. Как показано на Рисунке 1, порошковые материалы насыщаются постепенно и сохраняют предсказуемую полезную индуктивность даже при значительном увеличении нагрузки по току. Феррит с зазором будет поддерживать индуктивность ближе к несмещенному значению до тех пор, пока не произойдет насыщение, когда наблюдается внезапное падение индуктивности. При проектировании с использованием феррита при повышенных температурах необходимо учитывать некоторые дополнительные факторы. Магнитная индукция любого силового феррита значительно снижается при повышении температуры, как показано на рис. 2, в то время как магнитная индукция порошковых сердечников остается практически постоянной при изменении температуры.

 Кривая мягкого насыщения порошковой сердцевины предлагает значительные конструктивные преимущества: (1) рабочая точка хорошо совпадает с кривой (от 80 % до 50 %) в результате меньшего размера; (2) минимальный сдвиг с температурой; (3) незначительная чувствительность к изменению кривой из-за температурных или материальных допусков; (4) естественная отказоустойчивость; (5) естественная качающаяся индуктивность – высокая L при малой нагрузке, регулируемая L при большой нагрузке. Другие преимущества порошковых сердечников по сравнению с ферритами заключаются в том, что они не подвержены потерям на краевом излучении и эффектам электромагнитных помех в зазорах, а также в том, что они имеют более высокие присущие им уровни Bsat.

Рис. 1. Кривые смещения постоянного тока для феррита и Kool Mu

Рис. 2. Кривая насыщения для Power Ferrite

Применение индуктора

Типы применения индуктора включают, среди прочего:

1) Небольшой индуктор постоянного тока с малыми пульсациями переменного тока (исполнение с ограниченным окном)
2) Большой индуктор постоянного тока (конструкция с ограничением насыщения)
3) Катушка индуктивности с большим переменным током (конструкция с ограниченными потерями в сердечнике)

Каждый из них представляет определенные трудности с точки зрения дизайна. Небольшая катушка индуктивности постоянного тока обычно ограничена доступной площадью окна сердечника, а не площадью поперечного сечения. Окно сердечника должно быть достаточно большим, чтобы вместить количество витков провода, необходимое для достижения указанной индуктивности. Большой индуктор постоянного тока часто ограничивается точкой насыщения сердечника. Сердечник должен быть достаточно большим по размеру и иметь достаточно низкую проницаемость, чтобы избежать насыщения (или смещения индуктивности ниже минимально необходимого уровня). Эти факторы увеличивают количество витков и длину медных проводов, что приводит к проблемам с потерями в проводах. Катушка индуктивности с большим переменным током ограничена соображениями потерь в сердечнике. Поскольку потери в сердечнике зависят от размаха потока переменного тока, а не от уровня потока постоянного тока, потери в сердечнике становятся доминирующим фактором при проектировании.

1. КОНСТРУКЦИЯ МАЛЕНЬКОГО ИНДУКТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

В качестве примера типичным случаем будут следующие требования:

Постоянный ток (Idc) = максимум 500 мА
Требуемая индуктивность (Lmin) = 100 мкГн
Ток пульсаций переменного тока (Iac) = 50 мА пик-пик
Частота (f) = 100 кГц

Для проектирования этого индуктора используется Инструмент проектирования индукторов компании Magnetics, в котором используются порошковые сердечники компании Magnetics. В этой программе используется алгоритм проектирования, предназначенный для указания наименьшего размера корпуса для заданных входных параметров (токов, значений индуктивности, частоты и т. д.). квадрат пикового (постоянного плюс пульсации) тока, протекающего через индуктор. Более высокие значения индуктивности и более высокие уровни тока подразумевают больший размер сердечника. Инструмент проектирования был запущен с вышеуказанными исходными данными для проектирования, и материал сердцевины был выбран вручную для каждого из типов сердцевины в Таблице 2 ниже. Витки, заполнение проволоки, размеры намотки, данные о потерях и повышении температуры были взяты из выходных данных прибора.

В каждом случае инструмент проектирования выбирал самую высокую проницаемость, доступную для выбранного материала. Из-за относительно небольшого тока любое уменьшение выбранной проницаемости материала не приведет к улучшению индуктивности при пиковой нагрузке; в этих случаях потери при уменьшении индуктивности холостого хода больше, чем выигрыши за счет улучшения кривой спада постоянного тока. Потери в сердечнике и повышение температуры не являются значительным фактором для этого типа индуктора из-за низкой рабочей плотности потока переменного тока в сердечнике. Например, в сердечнике High Flux сила намагничивания H определяется законом Ампера:0006

• H (Эрстед) = 0,4(π)(N)(I)/Le, где
• Н — число витков
• I ток в амперах
• Le – длина магнитного пути сердечника в см

58278-A2 имеет длину пути 2,18 см, поэтому намагничивающая сила постоянного тока составляет

• H = 0,4(π )(41)(0,5)/(2,18) = 11,8 Эрстеда

Процент начальной проницаемости или значение «спада» можно определить по Рисунку 3 – Кривая спада смещения постоянного тока для High Flux.

График для High Flux с проницаемостью 160 показывает, что проницаемость при постоянном смещении 11,8 Эрстеда составляет примерно 90 % от исходного значения. Это консервативная рабочая точка для этого материала, но конструкция больше ограничена площадью окна сердечника, чем насыщением сердечника. Коэффициент заполнения окна для этого индуктора составляет 37%, что приближается к типичному пределу для тороида. Попытки уменьшить размер сердечника, чтобы воспользоваться доступной пропускной способностью по потоку, приведут к нереалистичным коэффициентам заполнения окна в 50% или выше.

Как показывают данные, тороид MPP имеет наиболее компактную и эффективную конструкцию благодаря тому, что этот материал доступен с более высокой проницаемостью (300 мкм) по сравнению с другими. Это приводит к более высокому коэффициенту индуктивности (AL) для данного размера сердечника, что позволяет использовать сердечник меньшего размера. Компромисс заключается в том, что смещение постоянного тока спадает раньше. Тороид Kool Mμ привлекателен главным образом благодаря значительному преимуществу в цене. Выбранный сердечник Kool Mμ E является наименьшим из доступных в настоящее время, и его размеры слишком велики для этого конкретного набора требований.

2. КОНСТРУКЦИЯ БОЛЬШОГО ИНДУКТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Например, типичные требования:

• Постоянный ток (Idc) = 20 А максимум
• Требуемая индуктивность (Lmin) = минимум 100 мкГн
• Пульсирующий переменный ток (Iac) = 1 A пик-пик
• Частота (f) = 100 кГц
• Максимальное повышение температуры = 40oC

Таблица 3 содержит соответствующую информацию из выходных данных проектирования инструмента проектирования для этого случая.

Таблица 3: Выходные данные инструмента проектирования дросселей

Для этой катушки индуктивности выбранные сердечники должны иметь более низкую проницаемость и большое поперечное сечение, чтобы избежать насыщения при высоком смещении постоянного тока.

Модель 58867-A2 (C058867A2) имеет длину магнитного пути 20 см. Снова вычисляем силу намагничивания H: 

.

• H = 0,4(π)(45)(20)/(20) = 56,5 Эрстеда

График для материала High Flux с проницаемостью 60 на рис. 3 показывает, что проницаемость составляет примерно 83 % от исходного значения при силе намагничивания постоянного тока 56,5 Э, что является безопасной рабочей точкой. Заполнение проволоки в этом случае не было критичным, но лимитирующим фактором стало повышение температуры из-за потери меди. Дальнейшие итерации конструкции будут направлены на увеличение диаметра провода или многожильного провода для снижения плотности тока, чтобы уменьшить потери в меди за счет более высоких коэффициентов заполнения. Из этих данных мы видим, что High Flux является самой крутой конструкцией тороида. Высокая плотность потока насыщения этого материала и лучшие характеристики смещения по постоянному току позволяют выбрать сердечник с более высокой проницаемостью и более высоким значением AL, уменьшая количество витков и потери в меди. Опять же, потери в сердечнике малы из-за относительно небольшого потока переменного тока в сердечнике.

Конструкция Е-сердечника Kool Mμ превосходит по потерям за счет того, что сечение Е-сердечника (и AL) намного больше, чем у тороидов. Это позволяет использовать меньше витков и значительно снизить потери в меди. E-сердечник имеет сравнительно небольшую площадь окна, что приводит к более высокому коэффициенту заполнения (72%), но это достижимо в конструкции с намотанной катушкой. С E-сердечником доступна возможность использования обмотки из фольги. Компромисс заключается в том, что общая высота блока намотки с E-сердечником примерно вдвое превышает высоту других конструкций.

3. КОНСТРУКЦИЯ ИНДУКТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Типичные требования к индуктору переменного тока, например: 

• Постоянный ток (Idc) = 4 А номинальный 
• Требуемая индуктивность (Lmin) = минимум 100 мкГн
• Пульсирующий переменный ток (Iac) = 8 А пик-пик
• Частота (f) = 100 кГц
• Максимальное повышение температуры = 35ºC 

В отличие от двух предыдущих примеров, малых и больших катушек индуктивности постоянного тока, а также тепла, выделяемого из-за потерь в сердечнике, в катушке индуктивности переменного тока достаточно много, чтобы стать основным конструктивным ограничением. Повышение температуры из-за потерь в сердечнике или целей эффективности ограничит выбор конструкции. Таблица 4 содержит данные для этого примера.

Таблица 4: Выходная мощность дросселя

Для определения потерь в сердечнике необходимо рассчитать колебания потока переменного тока в сердечнике в сердечнике. Поток постоянного тока не вызывает потерь в сердечнике. Первым шагом является расчет силы намагничивания H по закону Ампера с использованием размаха переменного тока (в данном случае 8A пик-пик). С учетом сердечника High Flux 58441-A2 длина пути составляет 10,74 см.

• H = 0,4(π)(57)(8)/(10,74) = 53,4 Эрстеда

Изменение плотности потока можно определить, применив этот результат к кривой нормального намагничивания из справочника (рис. 4).

Колебание силы намагничивания составляет от 0 до 53,4 э. В материале с проницаемостью 14 это приводит к изменению плотности потока от 0 до 600 Гс. То есть ΔB равно 600G. Кривые потерь для магнитомягких материалов предполагают биполярную работу (сердечник вводится в 1-й и 3-й квадранты контура BH). Следовательно, независимо от того, является ли цепь биполярной или униполярной, применяемое значение плотности потока всегда равно ½ ΔB. В этом случае плотность потока переменного тока составляет 300 Гс. Из рисунка 5 видно, что для 300G на частоте 100 кГц плотность потерь составляет около 150 мВт/см3. Из датабука объем 58441-A2 равен 21,3 см3, поэтому общие потери в сердечнике равны произведению (150)(21,3) = 3195 мВт. Инструмент проектирования, используя уравнения подбора кривой, рассчитал потери в сердечнике 3316 мВт.

Расчет повышения температуры основан на следующем приближении.

Общая мощность потерь для катушки индуктивности High Flux составляет 5668 мВт от инструмента. 58438-A2 имеет площадь поверхности 69,3 см2 без покрытия и 94,3 см2 при полной намотке (значения указаны в справочнике). Инструмент интерполирует площадь поверхности для коэффициента заполнения проволоки 17%, вычисляя площадь поверхности 79.3 см2. Таким образом, повышение температуры рассчитывается по приведенному выше уравнению примерно на 35°C. Обратите внимание, что это только приблизительная оценка, поскольку тепловые характеристики зависят не только от потерь, но и от механической конфигурации, материалов сборки и воздушного потока.

В целом, превосходные характеристики потерь материала MPP позволяют в этом случае использовать меньшую и более эффективную катушку индуктивности. Общие потери на 15 % ниже при использовании MPP, чем при использовании следующей по эффективности конструкции. Поскольку материал High Flux имеет более высокие потери, необходимо выбрать сердечник с более низкой проницаемостью, чтобы контролировать потери в сердечнике. Это, однако, приводит к большему количеству витков и большим потерям в меди, а также к немного большему общему корпусу. Причина того, что более низкая проницаемость имеет тенденцию приводить к меньшей плотности потока переменного тока (и, следовательно, к меньшим потерям в сердечнике), очевидна в более пологих наклонах материалов с более низким μ на кривых намагничивания (рис. 4). Материал Kool Mμ приводит к еще большему общий размер, но общие потери сравнимы с конструкцией High Flux. Опять же, есть вариант E-core с Kool Mμ, который в этом случае имеет несколько лучшие потери, меньшую занимаемую площадь, но большую общую высоту.

Электросердечник Kool Mμ E является самым дешевым вариантом из четырех, в то время как преимущество тороида MPP в размере и эффективности компенсируется самой высокой стоимостью. Сердечник High Flux и MPP имеют одинаковый размер и будут схожи по цене, поскольку производство и прессование порошков размером 14 мкм обходится дороже, чем порошков размером 26 мкм.

Заключение

Для данного индуктора решение о выборе материала определяется следующими ограничениями: пространство; эффективность; сборка; обмотка; Общая стоимость; зависимость индуктивности от нагрузочной характеристики; рост температуры; и температурный рейтинг. Среди порошковых сердечников материал MPP превосходит характеристики потерь в сердечнике и обладает самой высокой доступной проницаемостью. High Flux имеет преимущество, когда пространство и характеристика смещения постоянного тока являются критическими ограничениями. Kool Mμ неизменно является более дешевым вариантом, чем MPP или High Flux, и предлагается в стандартной комплектации как с тороидами, так и с геометрией сердечника E. Марки железного порошка еще ниже по стоимости, чем Kool Mμ, но со значительными компромиссами в производительности.

 

Загрузить PDFЗагрузить Инструмент проектирования индукторовContact Magnetics

 

 

Материал сердечника индуктора: сердце индуктора

Индукторы обманчиво просты. Однако при ближайшем рассмотрении обнаруживается скрытая сложность. Как еще вы можете объяснить множество типов материалов сердечника, типов обмоток, размеров, геометрии и широкого спектра применений? В этой статье будут рассмотрены три примера многочисленных типов материалов: кремнистая сталь, порошок мягкого железа и ферриты. Мы также сосредоточимся на понимании свойств материала сердечника индуктора — сердцевины индуктора.

Что такое магнитный сердечник?

Магнитопровод индуктора изготовлен из материала специальной формы с «мягкими» магнитными свойствами. Несмотря на то, что физически жесткий, магнитный сердечник считается «мягким», если он не сохраняет значительного магнетизма. Магнитный сердечник обычно окружен тщательно уложенными обмотками из проволоки. Комбинация магнитного сердечника и обмоток приводит к измеримому свойству, называемому индуктивностью. Существуют различные типы «мягких» магнитных материалов, а также различные типы и формы магнитных сердечников. Магнитопроводы плюс их обмотки можно рассматривать как миниатюрные электромагниты.

Существует множество возможных геометрий сердечника катушки индуктивности. Геометрия сердечника зависит от различных факторов, в том числе от применения; доступная монтажная площадь и объем; допустимая радиация; ограничения по обмоткам; рабочая температура; и как индуктор будет установлен. Следовательно, геометрическая форма сердечника может принимать форму цилиндра, катушки, тороида или некоторых других сложных форм.

Кроме того, магнитопровод катушки индуктивности не обязательно должен быть цельным. Многокомпонентные сердечники, каждая из которых изготовлена ​​из одного и того же магнитного материала, иногда используются для чрезвычайно сложных форм или больших катушек индуктивности.

Сердечники должны быть сконструированы и обработаны с пониманием того, как будут установлены обмотки. Иногда обмотки наматывают непосредственно вокруг сердечника. В других случаях обмотки могут быть намотаны на втулку, надетую на сердечник. Обратите внимание, что провод, используемый для обмоток индуктора, обычно изолирован, потому что при плотной намотке соседние витки могут закорачиваться. Однако тонкий утеплитель непрочен. При намотке непосредственно на сердечник магнитный материал не должен подвергать провод с тонкой изоляцией шероховатым поверхностям или острым краям, которые могут прорезать изоляцию. Для размещения прямых обмоток хорошо спроектированный магнитный сердечник должен иметь гладкую поверхность обмотки. Если необходимо, сердцевина обеспечит угловой радиус.

Примеры материалов сердечника для катушек индуктивности включают кремнистую сталь, железный порошок и ферриты. Каждый из этих различных материалов имеет разные свойства при разных частотах, температурах и уровнях мощности. Сердечники могут быть изготовлены литьем, механической обработкой или прессованием. Стоимость материала может стать важным фактором для более крупных и мощных сердечников. Таблица 1 иллюстрирует разнообразие материалов сердечника.

Что делает магнитный сердечник?

Функционально магнитный сердечник катушки индуктивности хранит восстанавливаемую энергию. Разработчики цепей определяют катушки индуктивности, способные принимать и возвращать энергию в заданные интервалы времени. Механически сердечник индуктора поддерживает его обмотки. В магнитном отношении сердечник индуктора обеспечивает среду для концентрации и удержания магнитного потока. Комбинация витков обмотки и объема магнитного материала устанавливает верхний предел максимально допустимого магнитного потока, который может поддерживать сердечник. Плотность потока важна, потому что она связана с энергией. Более высокие плотности потока подразумевают большее количество накопленной энергии. Магнитный поток аналогичен электрическому току в чисто резистивной электрической цепи. Магнитное сопротивление аналогично сопротивлению. Сердечник с низким магнитным сопротивлением может поддерживать относительно высокую плотность потока. Сердечник того же размера с высоким магнитным сопротивлением может поддерживать более низкую плотность потока.

Другой важный параметр ядра называется проницаемостью. Проницаемость обратно пропорциональна нежеланию. Ядро с высоким магнитным сопротивлением имеет низкую проницаемость и наоборот. Проницаемость является важным параметром, поскольку ее можно рассматривать как множитель потока. Для справки, считайте, что множитель потока свободного пространства равен единице (система cgs). Проницаемость ядра всегда зависит от проницаемости свободного пространства. Так, относительная магнитная проницаемость полезных магнитных материалов колеблется от 10 до 10 000. Более практичные значения относительной проницаемости находятся в диапазоне от 100 до 1000.

Индуктор преобразует электрическую энергию в магнитную. Эта магнитная энергия сохраняется в магнитном поле индуктора. Следовательно, энергия, накопленная в один момент времени, может сохраняться в ядре до тех пор, пока она не понадобится позже. Управляя скоростью, с которой энергия сохраняется и удаляется из магнитного поля, разработчики могут реализовать импульсные источники питания. Например, импульсные источники питания могут работать в диапазоне от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Источники питания с более медленным переключением должны накапливать больше энергии за цикл, чем коммутаторы с более высокой частотой. В результате размер сердечника больше для более низких частот переключения и меньше для более высоких частот переключения.

Для данной конфигурации обмотки и размера сердечника значение индуктивности катушки индуктивности будет выше для сердечника с более высокой магнитной проницаемостью. При одинаковых электрических условиях индуктор с более высоким значением индуктивности может хранить больше энергии, чем индуктор с более низким значением индуктивности. Таблица 2 иллюстрирует несколько приложений, где требуются магнитные сердечники.

Поведение различных материалов сердечника

В этом разделе мы рассмотрим поведение кремнистой стали, железного порошка и ферритовых материалов. Эти магнитомягкие материалы обладают свойствами проницаемости и удельного сопротивления. Именно несоответствие этих свойств делает различные материалы подходящими для различных дизайнерских приложений. Это еще один способ сказать, что нет «лучшего» материала для всех применений.

Кремнистая сталь относительно недорога и проста в обработке. Кроме того, кремнистая сталь является металлом с низким удельным сопротивлением. Низкое удельное сопротивление сердечника означает, что кремнистая сталь легко проводит электрический ток. В результате в материале сердечника могут протекать нежелательные вихревые токи. Вихревые токи способствуют нагреву и потерям в сердечнике. Кроме того, сердечник из кремнистой стали довольно легко достигает точки насыщения. В насыщенном состоянии ядро ​​не может накапливать дополнительную магнитную энергию. Быстрое насыщение приводит к сокращению рабочего диапазона.

Решением проблемы быстрого насыщения является создание воздушного зазора на пути магнитного потока. Воздушный зазор увеличивает сопротивление пути потока, что приводит к снижению проницаемости и индуктивности. Следовательно, количество тока, которое может выдержать ядро, увеличивается.

Порошок мягкого железа имеет более высокое удельное сопротивление, чем кремнистая сталь. Благодаря специальной обработке частицы железа изолированы друг от друга. Частицы смешивают со связующим (например, фенольным или эпоксидным). Затем сердцевинам придают окончательную форму. Затем используется процесс запекания для отверждения ядер. После отверждения множество крошечных воздушных зазоров объединяются, чтобы обеспечить эффект распределенного воздушного зазора. Другими словами, воздушный зазор распределен по всему сердечнику. Сердечники из железного порошка нашли широкое применение, когда необходимо учитывать потери в сердечнике.

По сравнению с другими магнитными материалами, такими как ферриты, распределенный воздушный зазор позволяет порошковым сердечникам накапливать более высокие уровни магнитного потока. Распределенный воздушный зазор также обеспечивает более высокие уровни постоянного тока до того, как произойдет насыщение.

Феррит представляет собой кристаллический магнитный материал, изготовленный из оксида железа и других элементов. Смесь обрабатывается при высокой температуре и превращается в кристаллическую молекулярную структуру. В отличие от других, ферриты представляют собой керамические материалы с магнитными свойствами. Ферриты обладают высокой магнитной проницаемостью и высоким удельным электрическим сопротивлением. Следовательно, нежелательные вихревые токи значительно уменьшаются благодаря ферритовым сердечникам. Благодаря высокому удельному сопротивлению ферриты идеально подходят для использования в качестве катушек индуктивности. Например, ферритовые кольца часто используются для уменьшения паразитных колебаний и для общей фильтрации на уровне выводов компонентов. Этот тип широкополосного компонента требует широкополосной низкой добротности, чтобы обеспечить высокий импеданс в широком диапазоне частот. В таблице 3 приведены некоторые важные свойства этих магнитных сердечников.

Магнитные домены или почему материалы разные

Различные материалы имеют разные магнитные характеристики. Интуитивно понятно, что должен быть какой-то лежащий в основе механизм, отличающийся для разных материалов. Ответ можно найти в том, что мы называем «магнитными доменами». Магнитные домены — это гораздо больше, чем модель простых стержневых магнитов, которые либо выровнены, либо не выровнены. Хотя модель стержневого магнита полезна на макроуровне, она неадекватна на микроуровне. Магнитный домен представляет собой объемное пространство внутри материала. Этот объем обладает определенными элементарными свойствами. Однако внутри одного магнитного сердечника имеется множество магнитных доменов разного размера и формы. Кроме того, различиям способствуют примеси и дефекты материала.

Требуется работа, чтобы изменить энергетическое состояние каждого (различного) домена. Поскольку домены имеют разные формы и размеры, для разных доменов требуется разный объем работы. Конечно, на макроуровне мы можем игнорировать микросвойства. Однако именно эти свойства определяют особые характеристики каждого материала. Таким образом, мы можем понять, почему практически невозможно обеспечить два ядра с одинаковыми характеристиками.

Рассмотрим магнитный поток, действующий на магнитные домены и внутри них. Магнитные домены расширяются и сжимаются, как пузыри. Магнитные домены сливаются и извиваются, как реки. Иногда домены текут по заданным каналам, а иногда распространяются, как при наводнении. Размеры различных доменов, близость других доменов и различные топологические соображения обеспечивают отсутствие единообразия. Неудивительно, что разные магнитные материалы имеют разные характеристики.

Основные материалы

Таблица 1. Основные материалы.

Воздух

Сплавы

Аморфный

Железный порошок

Марганцево-цинковый феррит

Порошок пермаллой молибдена

Никель-цинковый феррит

Сендаст

Кремниевая сталь

Приложения с использованием магнитных сердечников

Таблица 2. Данные испытаний на надежность.

Повышающий импульсный регулятор

Понижающий импульсный регулятор

Понижающе-повышающий импульсный регулятор

Фильтр синфазных помех

Фильтр электромагнитных/радиочастотных помех

Передний преобразователь

Обратноходовой преобразователь

Резонансный преобразователь

Важные магнитные параметры

Таблица 3.

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Комментарий *

Имя *

Email *

Сайт

Рубрики

• Прост
• Радио
• Разное
• Своими руками
• Советы
• Схем
• Схемы
• Транзист
• Транзисторы
• Электрон
• Электроника