Indukcyjność, Indukcyjność, to nie takie straszne
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
K U R S
Indukcyjności
To nie takie straszne, część 2
Chyba każdy elektronik
– praktyk, próbujący za
pomocą lutownicy i garści
drobiazgów wskrzesić do
życia jakieś nowe urządzenie,
stanął kiedyś przed barierą
nie do pokonania – na
schemacie znalazł się jakiś
wrogi element – ELEMENT
INDUKCYJNY!
Do takich należą: materiał –2 z bardzo
niską przenikalnością początkową, wysoką
częstotliwością graniczną, bardzo małymi
stratami mocy, dużą liniowością i stabilnością
temperaturową, ale za to charakteryzujący się
dużymi gabarytami; materiał –8 łączy pozy-
tywne cechy dwóch wcześniej wymienionych
materiałów, za to stosunkowo drogi.
Musimy jednak pamiętać o poważnej wa-
dzie, jaką posiadają rdzenie proszkowe. Jest
nią niestety podatność na proces starzenia
się rdzeni. Jest to proces nieodwracalny. Wy-
stępuje on przy pracy w wysokich temperatu-
rach, a jego przyczyną jest wypełniacz. Aby
nasze urządzenie żyło jak najdłużej nie sta-
rajmy się zbytnio „żyłować” jego możliwości.
Zalecana jest więc praca wszystkich rdzeni
proszkowych w temperaturze do 90
o
C. Typo-
we zastosowania rdzeni proszkowych przed-
stawiono w
tab.
1
.
Grzechem byłoby nie wspomnieć w tej
części artykułu o rdzeniach typu
Super–MSS, uznawanych dzisiaj za
najbardziej wartościowy materiał
magnetyczny. Ten rodzaj proszków
posiada cząsteczki oddzielone izo-
lacją, która została specjalnie opra-
cowana dla niskich przenikalności.
Izolacja ta jest nieorganiczna, co
pozwala osiągnąć wyższe wydaj-
ności w wyższych temperaturach.
Natomiast jej dobre właściwości na
przebicie elektryczne docenimy pod-
czas dużych obciążeń prądowych,
w których jak wiadomo mamy do czynienia
z grubymi przekrojami drutów nawojowych.
Sproszkowany metal użyty w rdzeniach
SUPER–MSS jest głównie stopem żelaza
z małą ilością krzemu i aluminium. Pozbawio-
ny kosztownego niklu może zapewnić nam
jeszcze dodatkowe korzyści:
– pozbawienie magnetostrykcji, która jest
zjawiskiem polegającym na zmianie wy-
miarów materiału znajdującego się w po-
lu magnetycznym,
– wysoka zdolność magazynowania energii,
– małe straty (10x mniejsze w odniesieniu
do rdzeni proszkowych),
– stabilność indukcyjności w funkcji bezpo-
średniego prądu polaryzacji,
– wysoka impedancja przy wysokiej często-
tliwości,
– małe zmiany indukcyjności w funkcji
prądu zmiennego.
Rdzenie SUPER–MSS znajdują głównie
zastosowanie w aplikacjach zaprojektowanych
na dużą moc i tam, gdzie gromadzenie dużej
energii magnetycznej staje się istotnym fak-
tem (
rys.
6
).
Rdzenie te zostały projektowane z myślą
o zastąpieniu rdzeni ze sproszkowanego że-
laza w układach pracujących w zakresie czę-
stotliwości 25...500 kHz, przy zachowaniu wy-
sokiej stabilności parametrów w czasie pracy.
Rdzenie takie mogą być wykorzystane w róż-
nych układach, między innymi:
– w zasilaczach impulsowych jako dławik
wyjściowy,
– w regulatorach współczynnika mocy
(PFC),
– w transformatorach mocy,
– w układach rezonansowych,
Rdzenie proszkowe
Kolejnym rodzajem materiałów magne-
tycznych miękkich jest sproszkowane żelazo.
Zmielone na małe drobiny, zmieszane w nie-
których przypadkach z pewnymi „ulepszacza-
mi” zostaje poddane wraz z wypełniaczem
organicznym, sprasowaniu pod dużym ciśnie-
niem w odpowiedniej formie. Forma nadaje
materiałowi magnetycznemu kształt rdzenia.
Po sprasowaniu takiego materiału, pomiędzy
drobinami żelaza pozostają przerwy, tworząc
tak zwaną rozproszoną szczelinę występującą
w całej objętości rdzenia. Rdzeń wykonany
z takiego materiału posiada nieliniową charak-
terystykę magnesowania w funkcji zewnętrz-
nej siły magnesującej, w związku z tym, jego
specyficzne własności są wykorzystywane
do gromadzenia dosyć dużych ilości energii.
Zwykłe rdzenie wykonane z czystego prosz-
ku żelaza (materiał –26) należą do najtań-
szych i najbardziej popularnych materiałów.
Indukcja nasycenia rzędu 1,2 Tesli, a także
maksymalna częstotliwość pracy ok. 80 kHz
powodują, że trzeba stosować także bardziej
wyrafinowane materiały (
rys.
5
).
Rys. 6.
Rys. 7.
Rys. 5.
Rys. 8.
96
Elektronika Praktyczna 1/2006
K U R S
Tab. 1. Typowe zastosowania rdzeni proszkowych
– w filtrach EMI, do tłu-
mienia zakłóceń asyme-
trycznych.
Zastosowanie
Rodzaj materiału
–2 –8 –14 –18 –26 –30 –34 –35 –38 –40 –45 –52
Regulatory oświetlenia
50 Hz dławiki zakłóceń asymetrycznych
w filtrach EMI
dławiki DC: <50 kHz
dławiki DC:
≥
50 kHz
układy korekcji współczynnika mocy: <50
kHz
układy korekcji współczynnika mocy:
≥
50 kHz
układy rezonansowe:
≥
50 kHz
Nanokryształy
Czas na nanokryszta-
ły, czyli w tym przypadku
Nanopermy, które powsta-
ją w procesie gwałtow-
nego schładzania metalu
i jednocześnie formowania
w bardzo cienką taśmę.
Materiał, który tak powsta-
nie charakteryzuje się drobną mikrostrukturą
krystaliczną. Typowe rozmiary ziarna są na
poziomie 10 nm i dlatego też już wiadomo,
dlaczego taki materiał nazywa się nanokry-
stalicznym. Drobnoziarnista struktura materia-
Tab. 2. Materiały przystosowane do wysokich częstotliwości pracy (Ni–Zn)
Przenikalność
początkowa 13 25 80 125 300 900 2000
ISKRA FERRITI 2E 1E 1F 3F 2C 1C 4C
EPCOS
U17 K12 K1 K1 M11
K10,
400 N4
FERROXCUBE 4E1 4E2
4D2,
4F1
4C6,
4C65
4B1, 4B2,
4B3
4A11,
4A15,
4S2 4A15
VOGT
Fi110 Fi130
Fi150,
Fi221 Fi212
F221, Fi242,
Fi222i Fi292
NEOSID/MMG F29 F28 F25
F01,
F16 F14, F302 F19, F52 F11
LCC THOMSON
H6,
K6 H5, K5 H3, K3 H3, K3 H2 H1, C1
KASCHKE K14 K40 K80
K80,
K120 K250, K300
K800,
K900
K1500,
K2000
Rys. 9.
TRIDELTA
Mf321 Mf340 Mf343 Mf251 Mf260
SAGEM
602 602
701
PRAMET
N3 N7, H5R
POLFER U–11 U–31 F–82
F–201, F–302
EM–VAC
NF10
TDK K8 K7A K6A K5
FDK – FUJI H56Z H55Z H54Z H53Z H52Z
TOKIN
10L
250L 700L
CERAMIC/
MAGNETICS N40 C2075 C2050 C2025 CMD10 CN20 CMD5005
NEOSID F40 F106 F2
FAIR RITE 68 67 65 61 64, 83 43
STEVARD 21
Rys. 10.
22 23
26, 28
COSMOFERRITES
CF102M
FERRIT
30BH 150BH 100NH 300BHC
900HM,
600NN,
900HKC
BALFORD/EEL
K8 K8 K10 K4
FERRONICS
P
K
J G
Rys. 11.
Elektronika Praktyczna 1/2006
97
K U R S
Rys. 12.
...200000(niespotykany
w innych materiałach
magnetycznych),
– nasycenie magnetostryk-
cji <0,5 ppm,
– elektryczna rezystyw-
ność – 115 mVcm,
– gęstość – 7,35 g/cm
3
,
– temperatura Curie Tc
– około 600
0
C,
– maksymalna temperatu-
ra pracy Tmax – oko-
ło 120
0
C (180
0
C),
– straty rdzenia (0,3 T,
100 kHz, sinus) Pv
– <110 W/kg,
– grubość taśmy d
– 17/23 mm.
Właściwości i zalety
nanokryształów najlepiej
można poznać analizując
ich charakterystyki przed-
stawione na
rys.
7...12
.
Tab. 3. Materiały o małych stratach
Przenikalność początkowa 750 2000 2300
ISKRA FERRITI 10G 26G 16G
EPCOS M33 N45, N48 N22, N26
FERROXCUBE 3D3 3B6, 3H3 3B7, 3H1
VOGT Fi850, Fi262 Fi323
NEOSID/MMG F58 P12 P10, P11
LCC THOMSON S5, C5 S4, T9, S3 A9, S1
KASCHKE
K700, K600 K2007 K2005
TRIDELTA
Mf143 Mf166 Mf183
SAGEM
509 507 506
PRAMET
H20
POLFER
F–605
F–2001
EM–VAC
M2F, M2F–A
TDK
H6F H6K, H8B H6B
FDK – FUJI
H52B, 3H01 H22Z, 3H20 3H21
TOKIN
F2001 F2003
CERAMIC/MAGNETICS MN67
MN80
MAGNETICS
A G D
NEOSID
F08
F02, F2001
Rys. 13.
FERRIT
700HM
BALFORD/EEL
Q7 Q6
Ferryty
Na koniec zostawiłem ferryty, które są
materiałem mikrokrystalicznym, zbudowa-
nym z kryształków tlenku żelaza (Fe2O3)
i różnych domieszek metali. Rozróżniamy
dwie najczęstsze kombinacje chemicz-
ne występujące
w materiale fer-
rytowym. Jest to
kombinacja man-
ganowo – cyn-
kowa (Mn–Zn)
i niklowo – cyn-
kowa (Ni–Zn).
Mangan i cynk
oznacza się wyż-
szą przenikalno-
ścią i indukcją
nasycenia Bs
w porównaniu
z jego niklowo
– cynkowym
bratem charak-
teryzującym się
wyższą rezystyw-
nością i pracują-
cym ze znacznie
wyższymi czę-
stotliwościami.
Najprostszą me-
todą identyfika-
cji rdzenia jest
jego „zbada-
nie”. Po pierw-
sze sprawdzamy
pilnikiem, czy
jest twardy, czy
miękki. Jeżeli
jest miękki, to
jest to jeden z materiałów proszkowych,
jeżeli natomiast jest twardy i kruchy, to
mamy do czynienia z ferrytem. Po nad-
piłowaniu dwóch punktów uzyskujemy
dostęp do gołego rdzenia. Możemy teraz
zmierzyć jego rezystancję. Jeżeli jest niska,
Rys. 14.
Tab. 4. Materiały o wysokiej przenikalności
Przenikalność
początkowa
4300 6000 10000 12000 15000
ISKRA FERRITI 19G 22G 12G 32G 52G
EPCOS N30 T37, T35 T44, T38 T42 T46
FERROXCUBE
3S1, 3E4,
K8000,
K10000
Mf187,
Mf197
Mf199
SAGEM 512 511 515
PRAMET H40 H60
POLFER F4001
EM–VAC M5, M4 M5, M6
TDK H5A, H7A HS52, H5B HS1, H5C2 H5D
FDK – FUJI 2H04 2H06 2H10
Mf185,
Mf193
2H15
HITACHI/NIPPON GP7 GP5, GQ5C GP11
TOKIN
H4000 H6000
H12000
Rys. 15.
CERAMIC/MAGNETICS MN30 MN60 MC25
MAGNETICS T, J J W
NEOSID F830 F860
FAIR RITE 75 76
STEVARD 34 40
TSC TSF5000 TSF010K
TOMITA 2E3 2E1 2E2
ACME A05 A07 A10
COSMOFERRITES CF195 CF195 CF197
BALFORD/EEL T2 T4
FERRONICS B
łowa jest cechą, która pozwala na osiągnięcie
niezwykłych właściwości miękko magnetycz-
nych. Jest to materiał bezpostaciowy, który
podczas gwałtownego schładzania nie zdą-
żył się skrystalizować i uzyskał nową postać,
stan skupienia zwany szklistym metalem.
Podstawowe cechy Nanopermów:
– skład stopu – Fe
73,5
Cu
1
Nb
3
Si
15,5
B
7
,
– gęstość strumienia nasycenia B
sat
– 1,2 T,
– poziom przenikalności m – 20000
T
98
Elektronika Praktyczna 1/2006
3C11
3E27, 3E25 3E5 3E6 3E7
VOGT Fi340 Fi360 Fi410
NEOSID/MMG F9N, F9 F10, FT6 F39, FTA
LCC THOMSON A6, T6 A4, A5, T4 A3, A2
KASCHKE K4000 K6000
TRIDELTA
K U R S
Tab. 5. Materiały mocy
Przenikalność
początkowa
3000 2000 2300 2200 2000 1300
ISKRA FERRITI 25G 15G 45G 35G 65G 75G
EPCOS N41 N27 N67 N87 N97
firmy FERROXCU-
BE ze względu na
ich popularność
na naszym rynku)
wykorzystywanych
między innymi
w przetwornicach
impulsowych; 3E27,
3E5, 3C11 o śred-
niej i wysokiej prze-
nikalności magne-
tycznej występujący
w układach filtrów
EMI; 3H3, 3D3,
które zostały doce-
nione w przemyśle
telekomunikacyjnym
pokrywając pasmo
do 2 MHz.
Podstawowe za-
leżności pomiędzy
głównymi parame-
trami, niektórych
z tych materiałów,
przedstawiają wykre-
sy na
rys.
13...19
.
Bardzo ogólna za-
sada mówi, że im
niższa jest przeni-
kalność początkowa,
tym wyższą często-
tliwością pracy cha-
rakteryzuje się dany materiał.
Co w rodzinie to nie zginie, więc tro-
chę również o niklu i cynku. Tutaj warto
zwrócić uwagę na materiały typu 4A11,
N49,
L49
4B1,4C65, 4E2, które są używane w dła-
wikach szerokopasmowych EMI, czy też
w naszych domowych antenach, jako część
elementu symetryzatora. Częstotliwość pra-
cy elementów niklowo – cynkowych się-
gają zazwyczaj już MHz i o tym warto pa-
miętać (
rys.
20, 21
)
Ze względu na kształt i wymiary, ma-
teriały ferrytowe występują w największej
ilości na rynku magnetycznym. Mamy tu
do czynienia z toroidami, kształtkami typu
EE, EFD, ETD, UU, RM, P, EP, ER, plana-
rami, walcami, walcami z otworem, RKS–
–ami dwu i wielootworowymi oraz z zinte-
growanymi elementami indukcyjnymi typu
IIC. O tych wszystkich materiałach, a także
o niewymienionych wyżej opowiemy w na-
stępnych odcinkach.
Często zastanawiamy się nad tym, jaki
materiał lub, jaki odpowiednik materiału
będzie w naszej aplikacji najlepszy. Dane
zebrane w
tab.
2...4
na pewno pomogą zde-
cydować o wyborze. Są w nich zamieszczo-
ne materiały producentów, których już nie
ma na rynku, ale zwyczajowo wielu elek-
troników posługuje się tymi oznaczeniami.
I to by było na tyle tej opowieści. Dla
szerszego zapoznania się z materiałami ma-
gnetycznymi zapraszam do lektury ofero-
wanej przez ich producentów. Znajdziecie
ją między innymi na ich stronach inter-
netowych, jak również w katalogach firmo-
wych. Niech moc będzie z Wami.........
Konstruktor firmy Feryster
Tomasz Szyćko
FERROXCUBE 3B8
3C10,
3C80
3C81,
3C85
3C90,
3F3
3F4,
3F35
VOGT Fi323 Fi322 Fi324
NEOSID/MMG
F5A,
F5C
F5 F44 F45 F47
LCC THOMSON B1
B5, B6,
B3
B2, B4, F1 F2
KASCHKE K2004 K2006 K2008
TRIDELTA Mf196B
Mf196A,
Mf196
Mf198 Mf198A
SAGEM
516, 517 527
PRAMET
H21 H24
POLFER
F807 F814
EM–VAC
M2TN–B M2TN–C
TDK
PC30
HV22,
PC30
PC40
PC44,
PC40
PC50,
PC44
PC47
6H40,
6H20
7H10,
6H40
FDK – FUJI 6H10 5H20 6H10
7H10
SB–7L,
BS–7C
HITACHI/NIPPON SB–5S SB–3L
SB–9C SB–1M
TOKIN B3100 B2500 B25
B40
CERAMIC/
MAGNETICS
MN80
MAGNETICS F R P
NEOSID F827 F867 F887
FAIR RITE 77 78
STEVARD 32
TSC TSF7070 TSF7099 TSF5080
TOMITA 2E6 2E6C
ACME P2
COSMOFERRITES CF101 CF196 CF129 CF138
BALFORD/EEL
L2
to jest to Mn–Zn, jeżeli wysoka, to Ni–Zn.
Do dość popularnych materiałów Mn–Zn
można zaliczyć 3C85, 3C90,3F3 i 3F35
(będziemy się posługiwać oznaczeniami
Rys. 16.
Rys. 18.
Rys. 20.
Rys. 17.
Rys. 19.
Rys. 21.
Elektronika Praktyczna 1/2006
99
[ Pobierz całość w formacie PDF ]