Индуктивность на феррите: Расчет катушки на ферритовом стержне

Содержание

Сердечники катушек индуктивности — выбор материала и формы

Автор: Mark A. Swihart, Менеджер отдела прикладной техники Magnetics Inc, отделение Spang&Co. Питтсбург, Пенсильвания, США.

Резюме: Внимательное рассмотрение характеристик силовых катушек индуктивности часто является ключевым фактором успешного конструирования компактных и экономичных преобразователей с высоким к.п.д. Во многих вариантах применения катушек индуктивности порошковые сердечники обладают явными преимуществами в сравнении с сердечниками, изготовленными из других материалов – таких, как ферриты или стальные ламинаты. В распоряжении разработчика имеется множество вариантов выбора материала и формы порошкового сердечника, каждый из которых является выбором компромисса по таким характеристикам, как величина потерь, стоимость, габариты и простота намотки. Кроме того, при изменении критериев конструирования изменяется комбинация преимуществ и недостатков каждого из материалов для порошкового сердечника. Понимание этих преимуществ и недостатков необходимо для осуществления правильного выбора.

Катушка индуктивности является устройством, фильтрующим ток. Создавая препятствия прохождению тока, фильтрующая катушка индуктивности фактически накапливает электрическую энергию по мере того, как переменный ток нарастает в каждом цикле, и высвобождает данную энергию, когда ток спадает до минимума. В силовых катушках индуктивности требуется наличие воздушного зазора внутри конструкции сердечника. Назначение воздушного зазора состоит в накапливании энергии и в предотвращении насыщения сердечника при нахождении его под нагрузкой. В иной формулировке, назначение воздушного зазора состоит в том, чтобы уменьшать и регулировать эффективную магнитную проницаемость магнитной конструкции. Поскольку μ = B/H, то уменьшение μ означает увеличение H (то есть, рост электрического тока), который поддерживается при уровне B, меньшем максимально допустимого значения магнитной индукции (Bsat), являющегося внутренней (природной) характеристикой заданного магнитного материала.

Существует общее ограничение, связанное с узкими пределами изменений индукции насыщения Bsat. Физика мягких магнитных материалов такова, что значение Bsat материалов, доступных на современном рынке, составляет примерно от 0,3T до 1,8T. В наиболее экзотичном имеющемся материале, каковым является сплав кобальта – железа – ванадия (супермендюр), это значение достигает 2,2T. Более высокие значения не существуют.

Воздушный зазор в силовых катушках индуктивности может быть распределенным или дискретным. Распределенные зазоры создаются в порошковых сердечниках. На микроскопическом уровне, гранулы порошка магнитного сплава отделяются одна от другой посредством изоляции связующим веществом или посредством высокотемпературной изоляции покрытия каждой гранулы. (Это не относится к уровню магнитных доменов; домены имеют размеры намного меньше размеров гранул порошкового сердечника). Распределение зазора по всей конструкции порошкового сердечника служит двум основным целям: (1) устраняются недостатки конструкции с дискретным зазором, каковыми являются резкое насыщение, краевые потери и электромагнитные помехи (EMI), и (2) регулируются потери от вихревых токов до такой степени, при которой сплавы с повышенным значением Bsat могут быть использованы на относительно высоких частотах, несмотря на относительно низкое значение объемного удельного сопротивления в сплаве.

Дискретные зазоры используются главным образом в ферритовых сердечниках. Основным функциональным преимуществом феррита являются низкие потери по переменному току в сердечниках при работе на высокой частоте, что объясняется более высоким удельным сопротивлением в керамическом материале по сравнению с металлическими сплавами. Ферриты находятся на нижнем конце существующей области значений Bsat, и они существенно смещаются в сторону дальнейшего понижения Bsat при повышении температуры. Конструкция с дискретным зазором приводит к созданию катушки индуктивности, в которой достигается точка резкого насыщения и при этом требуется большая габаритная высота в конструкции. Дискретные зазоры приводят также к получению катушек индуктивности, которые уязвимы к потерям от вихревых токов в обмотке вследствие краевого эффекта и имеют тенденцию к генерации электромагнитных помех (EMI). Дискретные зазоры используются также в аморфных и нанокристаллических ленточных сердечниках с ориентацией потока вдоль волокна, имеющих улучшенные показатели потерь по переменному току в сравнении с порошковыми сердечниками, но зачастую более дорогостоящих.

Разработчик катушки индуктивности должен выполнять требования по накапливанию энергии (величине индуктивности) и одновременно учитывать требования к суммарным потерям, рабочему объему, стоимости, электромагнитным помехам, температурным характеристикам, надежности и устойчивости к отказам.

Во многих случаях порошковые сердечники обладают явными преимуществами. При этом разработчик имеет множество вариантов выбора среди имеющихся порошковых сердечников.

Сердечники MPP (из мо-пермаллоевого (Molypermalloy) порошка) представляют собой тороидальные сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом никеля, железа и молибдена. MPP обеспечивает самые низкие потери в сердечнике по сравнению с другими материалами для порошкового сердечника, но сердечники из данного сплава являются при этом самыми дорогостоящими ввиду высоких затрат на технологическую обработку и по причине 80-процентного содержания никеля в сплаве. Тороидальные сердечники из MPP выпускаются с наружными диаметрами от 3,5 мм до 125 мм.

Сердечники High Flux представляют собой тороидальные сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом никеля с железом. Сплав High Flux содержит 50% никеля, по затратам на технологическую обработку сравним с MPP и по цене обычно выигрывает по сравнению с MPP примерно 5% – 25%. High Flux характеризуется более высокими потерями в сердечнике, нежели MPP и Kool Mμ, но благодаря своему повышенному значению Bsat сплав High Flux имеет оптимальное соотношение между магнитной проницаемостью и силой подмагничивания. Иными словами, повышенное значение Bsat трансформируется в оптимальную стабильность (самый низкий уровень сдвига) катушки индуктивности в условиях сильного подмагничивания постоянным током или при высоких пиковых значениях переменного тока. Как и сердечники из MPP, сердечники из сплава High Flux не получили широкого распространения в каких-либо геометрических формах, кроме тороидов.

Сердечники Kool Mμ®, или «сендаст», представляют собой сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом железа, алюминия и кремния. По характеристикам подмагничивания постоянным током материал Kool Mμ сравним с MPP. Отсутствие никеля в формуле сплава делает Kool Mμ намного более экономичным, чем MPP. Основной недостаток Kool Mμ состоит в том, что данный сплав имеет более высокие потери по переменному току, нежели MPP. Этот сплав призван служить практичной альтернативой в случаях, когда порошковое железо имеет слишком высокие потери (в типовых случаях при умеренных или высоких значениях частоты) и при этом использование MPP является слишком дорогостоящим. Сердечники из Kool Mμ выпускаются не только в форме тороидов, но и в виде E-сердечников, что позволяет в максимально возможной степени снизить затраты на намотку.

В таблице 1 приведены сравнительные данные о свойствах различных материалов для сердечников.

MPP High Flux Kool Mμ Железный порошок
Проницаемость 14 — 550 14 — 160 26 — 125 10 — 100
Насыщение (Bsat) 0,7 T 1,5 T 1,0 T 1,2 — 1,4 T
Максимальная температура (°C) 200 200 200
Потери в сердечнике по переменному току Самые низкие Высокие Низкие Самые высокие (и переменные)
Форма сердечника Тороид Тороид Тороид, E-сердечник Тороид, E-сердечник, другие формы

Сердечники из железного порошка имеют более высокие внутренние потери (потери в сердечнике), чем сердечники из MPP, High Flux или Kool Mμ, но обычно являются менее дорогостоящими. Железный порошок часто является оптимальным выбором для силовых катушек индуктивности, в которых не требуется максимально высокий к.п.д. и миниатюрные размеры, но критичным показателем является цена; этот выбор может быть оптимальным также при работе на очень низкой частоте или с очень малой амплитудой пульсаций переменного тока (что означает очень слабый магнитный поток от переменного тока и соответственно низкие потери по переменному току). Большинство сердечников из железного порошка содержит связующее вещество для изоляции между гранулами, и это вещество уязвимо к пробоям при работе с высокими температурами в течение длительного времени, поэтому разработчику может понадобиться учет кривых теплового старения для выбираемого железного порошка. Значения плотности штамповки (то есть, прижимных усилий сжатия) для железных порошков являются умеренно высокими, поэтому данные материалы обеспечивают возможность широкого разнообразия геометрических форм, включая тороидальные сердечники, E-сердечники, броневые сердечники, U-сердечники и стержневые сердечники. Для сердечников с очень сильными токами, но без необходимости работы на высоких частотах, крупногабаритный E-сердечник, U-сердечник или броневой сердечник из порошкового железа может оказаться единственным практически приемлемым вариантом.

Ферритовые сердечники с зазором являются альтернативой порошковым сердечникам при выборе вариантов конструирования. Как видно из рисунка 1, порошковые материалы насыщаются постепенно и при этом сохраняют полезную предсказуемую индуктивность даже при существенном нарастании тока нагрузки. Ферритовый сердечник с зазором сохраняет значение индуктивности, приближенное к значению при отсутствии подмагничивания, пока не происходит насыщение, при котором наблюдается резкое спадание индуктивности. При создании конструкций с ферритами для работы на повышенных температурах необходимо учитывать ряд дополнительных факторов. Как видно из рис. 2, мощность потока индукции любого силового феррита существенно уменьшается при повышении температуры; в то же время, мощность потока индукции порошковых сердечников фактически не зависит от температуры.

Кривая плавного насыщения порошкового сердечника отражает существенные преимущества для конструирования: (1) рабочая точка в основной части кривой (80% — 50%), позволяющая повысить степень компактности конструкции; (2) минимальный сдвиг при изменении температуры; (3) малая чувствительность к изменениям кривой как в части температуры, так и в части допусков на материал; (4) природная устойчивость к отказам; (5) естественные колебания индуктивности – высокое значение L при низкой нагрузке, регулируемая индуктивность при высокой нагрузке. Другие преимущества порошковых сердечников в сравнении с ферритовыми сердечниками состоят в том, что порошковые сердечники не уязвимы к краевым потерям и к EMI-эффектам в зазоре и имеют более высокие значения внутренней Bsat.

Рисунок 1. Кривые подмагничивания постоянным током для феррита и Kool Mμ.

Рисунок 2. Кривая насыщения для силового феррита.

Возможными вариантами применения катушки индуктивности, в частности, являются:

  1. Компактная катушка индуктивности цепи постоянного тока (DC) с малыми пульсациями переменного тока (конструкция с ограниченным размером окна)
  2. Крупногабаритная катушка индуктивности цепи постоянного тока (конструкция с ограничением насыщения)
  3. Катушка индуктивности с сильным переменным током (конструкция с ограничением потерь в сердечнике)

Каждый из трех вариантов характеризуется специфическими требованиями к конструкции. В компактной катушке индуктивности цепи постоянного тока ограничительный фактор определяется в большей степени доступным размером окна сердечника, нежели площадью поперечного сечения сердечника. Окно сердечника должно быть достаточно большим для того, чтобы расположить в нем количество витков провода, достаточное для получения требуемой индуктивности. В крупногабаритной катушке индуктивности цепи постоянного тока ограничительным фактором часто является точка насыщения сердечника. Сердечник должен иметь достаточно крупные габариты и достаточно малую магнитную проницаемость, чтобы избежать насыщения (или смещения величины индуктивности ниже минимального требуемого уровня). Эти факторы требуют увеличения числа витков и длины медных проводов, что вызывает проблему в виде потерь в проводах. Основным ограничительным фактором для катушки индуктивности с сильным переменным током являются потери в сердечнике. Поскольку потери в сердечнике зависят от колебаний потока, создаваемого переменным током, а не уровнем индукции, создаваемой постоянным током, потери в сердечнике становятся доминирующим фактором, определяющим выбор конструкции.

Ниже приведены в качестве примера требования, которым должна отвечать типовая конструкция.

Постоянный ток (IDC) 500 мА (не более)
Требуемая индуктивность (Lmin) 100 мкГ
Пульсации переменного тока (Iac) 50 мА (пиковый размах)
Частота (f) 100 кГц

Для конструирования катушки с данными характеристиками компания Magnetics использует программное обеспечение Inductor Design Using Powder Cores (Конструирование катушки индуктивности с использованием порошковых сердечников). В данной программе реализуется алгоритм конструирования, имеющий целью определение минимально возможных габаритов модуля для заданных входных параметров (значений тока, индуктивности, частоты и др.). Программа определяет размер требуемого сердечника, исходя из необходимой величины энергетического показателя в виде произведения, получаемого умножением индуктивности при полной нагрузке на квадрат пикового значения тока (постоянного тока с приращением на пульсацию переменного тока), проходящего через катушку индуктивности. Увеличение значений индуктивности и силы тока подразумевают увеличение габаритов сердечника. Программы выполнялись с вводом указанных выше исходных значений конструирования, а материал сердечника выбирался вручную для каждого из типов сердечников, указанных ниже в таблице 2. Число витков, коэффициент плотности намотки провода, габариты намотки, величина потерь и рост температуры были определены по выходным данным выполняемых программ.

MPP High Flux Kool Mμ, торидальные сердечники Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента 55025-A2 58278-A2 77280-A7 K1808E090
Проницаемость 300 160 125 90
Габариты сердечника (дюймы) 0,335 x 0,150 0,405 x 0,150 0,405 x 0,150 0,77 x 0,65 x 0,19
AL (нГ/виток²) 124 68 53 69
Число витков 32 41 48 39
Коэффициент плотности намотки провода 37% 31% 37% 14%
Габариты обмотки (дюймы) 0,375 x 0,209 0,448 x 0,209 0,455 x 0,209 0,77 x 0,65 x 0,644
Потери в сердечнике (мВт) 2,0 0,7 0,7 0,5
Потери в проводе (мВт) 24,2 33,3 40,0 83,0
Суммарные потери (мВт) 26,2 34,0 40,7 83,5
Рост температуры (°C) 6,1 6,0 6,9 4,3

В каждом случае программы определяли самое высокое значение магнитной проницаемости из числа значений, имеющихся для выбранного материала. С учетом относительно слабого тока, любое уменьшение магнитной проницаемости выбранного материала не приводит к оптимизации индуктивности при пиковой нагрузке; в этих условиях больше теряется ввиду уменьшения индуктивности при отсутствии нагрузки, нежели приобретается за счет оптимизации кривой спадания силы подмагничивания постоянным током. Потери в сердечнике и рост температуры не являются важными влияющими факторами в катушке индуктивности данного типа вследствие низкой магнитной индукции по переменному току в сердечнике. Например, в сердечнике High Flux сила намагничивания H определяется по закону Ампера следующим образом:

H (эрстеды) = .4 (π) (N) (I)/Le, где:

N — число витков
I — ток в амперах
Le — длина линии магнитной индукции сердечника в см.

Сердечник 58278-A2 имеет длину линии магнитной индукции, равную 2,18 см, поэтому сила намагничивания постоянным током равняется:

H = .4 (π) (41) (0,5)/(2,18) = 11,8 эрстед

Процент начальной магнитной проницаемости, или значение «спадания», можно определить по данным, публикуемым в справочнике Magnetics по порошковым сердечникам (см. рис. 3).

Рисунок 3. Кривая спадания подмагничивания постоянным током для High Flux.

Кривая проницаемости 160 для High Flux показывает, что магнитная проницаемость при силе подмагничивании постоянным током, равной 11,8 эрстедам, равняется примерно 90% начального значения этой проницаемости. Эта рабочая точка является консервативной рабочей точкой для данного материала, но возможности конструирования ограничиваются в большей степени не уровнем насыщения сердечника, а площадью окна сердечника. Коэффициент заполнения окна для катушки данного типа равняется 37%, что приближается к типовому предельному значению для тороидальных сердечников. Усилия по уменьшению габаритов сердечника с целью получения преимуществ от имеющейся мощности магнитной индукции приводят к нереалистичным значениям коэффициента заполнения окна, равным 50% и более.

Как видно из приводимых данных, тороидальный сердечник MPP обеспечивает получение наиболее компактной и эффективной конструкции вследствие того, что данный материал доступен для использования с более высоким значением магнитной проницаемости (300μ), чем другие материалы. Это трансформируется в более высокое значение коэффициента одновитковой индуктивности (AL) при заданном размере сердечника, что позволяет снижать габариты используемого сердечника. Компромиссным фактором является ускоренное спадание силы намагничивания постоянным током. Тороидальный сердечник Kool Mμ является привлекательным в основном благодаря существенным преимуществам в цене. Выбираемый E-сердечник из материала Kool Mμ является самым «миниатюрным» из числа сердечников, имеющихся в настоящее время, и имеет избыточные габариты для рассматриваемого здесь набора требований.

Типовыми требованиями к катушкам данного типа являются:

Постоянный ток (IDC) 20 А (не более)
Требуемая индуктивность (Lmin) 100 мкГ (минимум)
Пульсации переменного тока (Iac) 1 А (пиковый размах)
Частота (f) 100 кГц
Максимальный рост температуры (°C) 40°C

В таблице 3 приведены применимые данные конструирования, полученные на выходе программы для данного случая.

MPP High Flux Kool Mμ, торидальные сердечники Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента 55868-A2 58867-A2 77868-A7 K5528E040
Проницаемость 26 60 26 40
Габариты сердечника (дюймы) 3,108 x 0,545 3,108 x 0,545 3,108 x 0,545 2,19 x 2,20 x 0,81
AL (нГ/виток²) 30 68 30 157
Число витков 62 45 70 30
Коэффициент плотности намотки провода 24% 18% 27% 72%
Габариты обмотки (дюймы) 3,657 x 0,884 3,514 x 0,884 3,720 x 1,053 2,19 x 2,20 x 1,98
Потери в сердечнике (мВт) 116 230 182 290
Потери в проводе (мВт) 14371 9780 16959 5489
Суммарные потери (мВт) 14487 10010 17141 5779
Рост температуры (°C) 35,3 27,4 37,7 22,4

Для катушки данного типа необходимо выбирать сердечники с пониженной магнитной проницаемостью и с большим поперечным сечением, чтобы избежать насыщения при высоком уровне подмагничивания постоянным током.

Сердечник 58867-A2 имеет длину линии магнитной индукции, равную 20 см, поэтому сила намагничивания H равняется:

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

Кривая для материала High Flux с магнитной проницаемостью 60 на рисунке 3 показывает, что магнитная проницаемость составляет примерно 83% своего начального значения при силе подмагничивания постоянным током, равной 56,5 эрстедам, что соответствует безопасной рабочей точке. Критичным параметром является в данном случае не коэффициент плотности намотки провода, а рост температуры вследствие потерь в меди. Последующие итерации при конструировании должны быть направлены на увеличение диаметра провода или на использование многожильного провода для уменьшения плотности тока с целью снижения потерь в меди, что достигается ценой повышения плотности намотки. Из приводимых данных можно видеть, что High Flux обеспечивает конструирование тороидальных сердечников с меньшим ростом температур, нежели другие материалы. Высокая индкуция насыщения данного материала и улучшенные характеристики подмагничивания постоянным током позволяют выбирать сердечники с повышенной магнитной проницаемостью и увеличенным значением AL, что позволяет уменьшить число витков и сократить потери в меди. И в этом случае потери в сердечнике малы следствие относительно слабого потока подмагничивания переменным током в сердечнике.

Конструкция E-сердечника из материала Kool Mμ превосходит аналоги в части потерь благодаря тому, что поперечное сечение E-сердечника (и значение AL) намного превышают аналогичные показатели тороидальных сердечников. Это позволяет уменьшить и существенно сократить потери в меди. E-сердечник имеет относительно малую площадь окна, что подразумевает повышенный коэффициент плотности намотки (72%), но это достижимо в конструкциях с бобинной намоткой. Для E-сердечников допускается вариант с намоткой фольги. Недостаток состоит в том, что суммарная высота E-сердечника с готовой обмоткой примерно в 2 раза превышает аналогичную высоту в других конструкциях.

Типовыми требованиями к катушкам индуктивности переменного тока являются:

Постоянный ток (IDC) 4 А (номинал)
Требуемая индуктивность (Lmin) 100 мкГ (минимум)
Пульсации переменного тока (Iac) 8 А (пиковый размах)
Частота (f) 100 кГц
Максимальный рост температуры (°C) 35°C

В отличие от малых и крупногабаритных катушек индуктивности постоянного тока, рассмотренных в двух предыдущих примерах, генерация тепла, сопутствующая потерям в сердечнике, в катушке индуктивности переменного тока достаточно велика для того, чтобы являться первичным ограничительным фактором при выборе конструкции. Варианты выбора конструкции ограничиваются ростом температуры вследствие потерь в сердечнике, или целевым показателем к.п.д. В таблице 4 приведены значения характеристик для данного примера.

MPP High Flux Kool Mμ, тороидальные сердечники Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента 55440-A2 58441-A2 77191-A7 K4020E026
Проницаемость 26 14 26 26
Габариты сердечника (дюймы) 1,875 x 0,745 1,875 x 0,745 2,285 x 0,635 1,71 x 1,67 x 0,61
AL (нГ/виток²) 59 32 60 80
Число витков 42 57 43 37
Коэффициент плотности намотки провода 12% 16% 10% 23%
Габариты обмотки (дюймы) 1,982 x 0,843 2,019x 0,940 2,375 x 0,733 1,71 x 1,67 x 1,53
Потери в сердечнике (мВт) 2947 3316 4110 3255
Потери в проводе (мВт) 1722 2352 1836 2212
Суммарные потери (мВт) 4669 5668 5946 5467
Рост температуры (°C) 31,7 34,9 32,1 31,8

Для определения потерь в сердечнике необходимо вычислить колебания потока подмагничивания переменным током в сердечнике. Поток подмагничивания постоянным током не вызывает потерь в сердечнике. Первым шагом расчета является вычисление силы намагничивания H по закону Ампера с использованием размаха значений переменного тока (в данном случае пиковый размах составляет 8 А). Для сердечника 58441-A2 из материала High Flux длина линии магнитной индукции равняется 10,74 см.

H = 0.4 (π) (57) (8)/(10.74) = 53,4 эрстед

Изменение плотности потока можно определить путем приложения данного результата к нормальной кривой намагничивания из справочника (см. рис. 4).

Рисунок 4. Кривые намагничивания при высокой плотности потока намагничивания.

Диапазон изменения силы намагничивания составляет от 0 эрстед до 53,4 эрстед. В случае материала с магнитной проницаемостью 14 это трансформируется в диапазон изменения магнитной индукции от 0 гаусс до 600 гаусс – то есть, ΔB = 600 гаусс. Кривые потери для мягких магнитных материалов подразумевают биполярный режим работы (сердечник возбуждается в первом и третьем квадрантах петли гистерезиса B-H). Следовательно, независимо от того, является ли схема биполярной или однополярной, значение магнитной индукции, которое действует, всегда равняется ½ΔB. В данном случае плотность магнитной индукции переменного поля равняется 300 гаусс. Из рисунка 5 видно, что при 300 гауссах на частоте 100 кГц плотность потерь составляет примерно 150 мВт/см³. По справочнику можно определить, что объем сердечника 58441-A2 равняется 21,3 см³, поэтому суммарные потери в сердечнике равняются произведению от умножения (150) на (21,3) – то есть, 3195 мВт. Программное обеспечение, использующее уравнения в привязке к кривым, вычислило потери в сердечнике, равняющиеся 3316 мВт.

Рост температуры вычисляется, исходя из указанной ниже аппроксимации.

Рост температуры (°C) = [Суммарные потери мощности (мВт)/площадь поверхности (см²)]0,833

Согласно выходным данным программного обеспечения, суммарные потери мощности для катушки индуктивности High Flux равняются 5668 мВт. Сердечник 58438-A2 имеет без обмотки площадь поверхности 69,3 см², а с полной обмоткой – 94,3 см² (значения взяты из справочника). Программное обеспечение интерполирует площадь поверхности для коэффициента плотности намотки провода, равного 17%, и получает значение площади поверхности, равное 79,3 см². Рост температуры, вычисляемый в этом случае по приведенному выше уравнению, равняется примерно 35°C. Заметим, что данная оценка является довольно грубым приближением, поскольку характеристики тепловыделения зависят не только от величины потерь, но и от механической конфигурации, вида сборочных материалов и от течения воздуха.

Рисунок 5. Кривые потерь в сердечнике при высоком уровне потока намагничивания.

В общем, характеристики потерь, по которым MPP обладает преимуществом над другими материалами, позволяют использовать катушки индуктивности с меньшими габаритами и более высокими значениями к.п.д. Суммарные потери в случае MPP составляют на 15% меньше потерь материала, являющегося следующим в сторону увеличения потерь. Поскольку материал High Flux обладает более высокими потерями, чем MPP, для сохранения одинаковой величины потерь необходимо выбирать сердечник с более низкой магнитной проницаемостью. Это, однако, приводит к увеличению числа витков, росту потерь в меди и к некоторому увеличению общих габаритов модуля. Причина того, что пониженная магнитная проницаемость приводит к уменьшению плотности потока переменного поля (то есть, к уменьшенным потерям в сердечнике) является очевидной и состоит в том, что наклон кривых для материалов с пониженной магнитной проницаемостью имеет на графике кривых намагничивания меньшую крутизну (см. рис. 4). Материал Kool Mμ требует еще большего увеличения общих габаритов, но суммарные потери сравнимы с потерями для High Flux. И в этом случае возможен вариант с E-сердечником Kool Mμ, который имеет несколько меньшие потери, уменьшенную площадь основания, но увеличенную габаритную высоту.

E-сердечник Kool Mμ является самым экономичным из четырех рассмотренных вариантов; вместе с тем, преимущества от габаритов и к.п.д. тороидального сердечника MPP становятся менее очевидными из-за самой высокой стоимости данного сердечника. Сердечники High Flux и MPP имеют одинаковые габариты и сравнимы по цене, поскольку порошки 14μ являются более дорогостоящими в производстве и в штамповке, нежели порошки 26μ.

Для требуемой катушки индуктивности решение о выборе материала определяется комбинацией следующих ограничительных факторов: пространство, к.п.д., удобство сборки, суммарная стоимость, индуктивность в зависимости от характеристик нагрузки, роста и рабочей температуры. Среди порошковых сердечников материал MPP превосходит другие материалы по такому свойству, как потери в сердечнике, и обладает самым высоким значением применимой магнитной проницаемости. High Flux обладает преимуществами над другими материалами в случаях, когда определяющими ограничительными факторами является минимизация габаритов и намагничивание постоянным полем. Kool Mμ является более экономичным материалом, нежели MPP или High Flux, и является стандартным материалом как для тороидальных сердечников, так и для E-сердечников. Сердечники на основе распыленного железа (Iron powder cores) являются менее дорогостоящими, чем Kool Mμ, но серьезно ухудшают характеристики изделия.

  1. Magnetics «Inductor Design Using Powder Cores» software PCD-3. 1
  2. Magnetics «Powder Cores Design Manual and Catalog»

 

Борьба за добротность катушки индуктивности.Как намотать высокодобротную катушку на ферритовом кольце или на тороидальном магнитопроводе из карбонильного (распылённого) железа?






Продолжаем тему ожесточённой борьбы за параметр добротности катушек индуктивности.

В центральной завязке сюжета давайте
сделаем весьма вольное, но не оскорбительное допущение — ферритами мы будем называть как, собственно, сами ферриты, так и
сердечники из карбонильного (распылённого) железа. Так просто удобней и доступнее для восприятия.

В первом приближении можно считать, что однослойная тороидальная катушка — это ничем не примечательное моточное цилиндрическое изделие,
свёрнутое в бублик.

Как добиться максимальной добротности от такой катушки без ферритовых излишеств, мы порассуждали на прошлой странице.

Ясен хулахуп, что добавление ферритового кольца внутрь нашего бублика в определённое количество раз увеличит индуктивность катушки.
Для того, чтобы понять, сколько это выйдет в попугаях, приведу упрощённую формулу, описывающую зависимость необходимого количества
витков катушки W от значения индуктивности L и магнитной
проницаемости µ ферритового кольца, на которое нанесена обмотка :
W=K*√L/μ, где
K — это в нашем случае совершенно малоинтересный коэффициент, зависящий от габаритных размеров
ферромагнитного сердечника.

Что даёт нам эта формула? А даёт она нам наглядное понимание того, что для получения значения индуктивности на феррите, такой же,
как и в катушке без сердечника нам потребуется в √µ
меньшее количество витков.
Т.е. для катушек, намотанных на радиочастотных магнитопроводах с начальной магнитной проницаемостью 5 — 75, экономия на длине провода
составит величину ≈ 2 — 9 раз.

Казалось бы, здорово: тёплая ночь, красота за окном, девки поют, пазлы складываются в изящную картинку — примерно в такое же количество раз
должна возрасти и добротность нашего изделия.

А вот и нет! Необратимые потери в сердечнике на вихревые токи, перемагничивание (гистерезис), поглощение в веществе изрядно подпортят
так хорошо начинавшуюся песню.


Потери эти обычно характеризуются понятием тангенса угла магнитных потерь tanδ вещества.

Эта безразмерная величина может быть представлена в следующем виде: tanδ = μ»/μ’, где
μ’ — является начальной магнитной проницаемостью феррита в привычном понимании этого слова, а
μ» — некая величина, называемая мнимой частью магнитной проницаемости, определяет потери феррита.

А решив покопаться в архивах старинных справочников, есть шанс наткнуться и на до боли простую формулу
Q=1/tanδ, что выдаёт нам в сухом остатке значение добротности, определяемое влиянием потерь
в ферритовом сердечнике: Q = μ’/μ».

По-хорошему, совсем не лишним было бы учесть потери, которые возникают на ВЧ и в проводах катушек (см. предыдущую страницу). Однако,
учитывая уменьшившееся в несколько раз активное сопротивление провода, можно сделать робкий вывод, что основной вклад в добротность
будут вносить всё ж таки именно потери ферромагнитного сердечника.

Параметр μ» иногда публикуется производителями в виде графика зависимости от частоты, называемого
магнитным спектром феррита… А иногда не публикуется…

Фирма TDK, к примеру, радует глаз радиолюбителя разнообразием цветов и полнотой информации.


А вот, казалось бы — известный американский производитель Amidon™ Inc., весьма почитаемый в кругах отечественных богомольцев,
для своих ферритов публикует магнитные спектры, а для сердечников на распылённом железе отправляет пытливый ум разработчика в полный игнор.

Полную информацию по всему ассортименту Amidon-овских ферритов можно найти на официальном сайте на странице
http://www.amidoncorp.com/specs/.

И «куда деваться бедному еврею?» при желании намотать высокодобротную катушку на карбониле?

И бедному еврею, и богатому, и даже вообще не еврею — придётся сделать выбор:

— либо для приложений с малым уровнем сигнала мотать изделие на феррите с нормированным уровнем магнитных потерь,

— либо для радиочастотных цепей с высокими уровнями мощности, остановить свой выбор на сердечнике из распылённого железа,
выбирая его габариты, исходя из принципа гарантированной работы, далёкой от области насыщения материала, а номер смеси — исходя из частот,
рекомендованных производителем.

Ниже приведу список ферритовых колец Amidon, отлично себя зарекомендовавших, при использовании в высокодобротных резонансных
схемах.
















 Тип материала   Начальная проницаемость   Частоты для резонансного применения, МГц 
 33   800   0.01 to 1 MHz 
 43   850   0.01 to 1 MHz 
 61   125   0.2 to 10 MHz 
 64   250   0.5 to 4 MHz 
 67   40   10 to 80 MHz 
 68   20   80 to 180 MHz 
 73   2500   0. 001 to 1 MHz 
 77   2000   0.001 to 2 MHz 
 83   300   0.001 to 5 MHz 
 F   3000   0.001 to 1 MHz 
 J   5000   0.001 to 1 MHz 
 K   290   0.1 to 5 MHz 
 W   10000   0.001 to 0.25 MHz 
 H   15000   0.001 to 0.15 MHz 

Делаем выдох и наклон в сторону карбонильных сердечников.

По большому счёту — сердечники из распылённого железа ассоциируются производителем в качестве оптимального материала для применения
в силовых устройствах (сглаживающих дросселях, дифференциальных сетевых фильтрах, высокочастотных преобразователях и т.д.).
Поэтому данные, приводимые в документации, связаны в основном с мощностными, т. е. малоинтересными для данной темы
характеристиками.

А поскольку мы знаем, что катушки, намотанные на подобных магнитопроводах, обладают вполне себе приличными значениями добротности,
то исходить придётся из значений магнитной проницаемости материалов и частотных характеристик, приведённых ниже.

При выборе рабочего частотного диапазона материала следует задаваться величиной допустимого отклонения магнитной кривой — ± 10%.

Ну и на основании приведённого графика давайте нарисуем доморощенную таблицу, описывающую частотные характеристики сердечников из
распылённого железа.














 Номер смеси   Начальная проницаемость   Диапазон частот, МГц   Цветовая маркировка 
 -2   10   0.1 to 100 MHz   Красный 
 -8   35   0.1 to 100 MHz   Жёлтый/красный 
 -14   14   0.1 to 100 MHz   Чёрный/красный 
 -18   55   0.1 to 20 MHz   Салатовый/красный 
 -19   55   0. 1 to 10 MHz   Красный/салатовый 
 -26   75   0.1 to 0.4 MHz   Жёлтый/белый 
 -30   22   0.1 to 10 MHz   салатовый/серый 
 -34   33   0.1 to 6 MHz   Серый/голубой 
 -35   33   0.1 to 4 MHz   Жёлтый/серый 
 -40   60   0.1 to 0.4 MHz   Салатовый/жёлтый 
 -45   100   0. 1 to 1 MHz   Чёрный 
 -52   75   0.1 to 1 MHz   Салатовый/голубой 

А теперь для нашего друга из солнечного Биробиджана прозвучит ритмически захватывающая поп-композиция «Частотные
диапазоны работы карбонилов, не вошедших в предыдущую таблицу». Основным критерием выбора данных диапазонов является достижение
максимального значения добротности намоточного изделия.

Ну и хватит о грустном. Подведём итог вышерассказанной истории: «Как намотать высокодобротную катушку на ферритовом кольце?».

1. Обмотка должна быть однорядной, как можно более толстым (в пределах разумного) проводом.

2. Для цепей с малым уровнем сигнала лучшим выбором являются ферритовые кольца, так как имеют в данном режиме
нормированный уровень магнитных потерь.

Кстати, отечественные кольца 50ВЧ2, 30ВЧ2 прекрасно работают во всём КВ диапазоне, и мало чем уступают Амидоновским
ферритам.

3. Для радиочастотных цепей с высокими уровнями мощности — ничего не остаётся, как использовать сердечники из
распылённого железа, чутко подбирая типоразмеры колец. Чем дальше будет режим работы магнитопровода от области насыщения материала —
тем выше будет добротность катушки!

Ну и напоследок, с благодарностью автору, ознакомимся с весьма полезной для широкого круга радиолюбителей информацией от уважаемого
постояльца форума cqham.ru — LY1SD:

«Иногда возникают вопросы по Qxx (добротность в режиме холостого хода) контуров на карбонильных кольцах от AMIDON.

При проверке на Q-метре выяснено, что на тороидальных карбонильных сердечниках от amidon или советских ферритовых торах 20-50ВЧ Qхх
очень мало зависит от диаметра провода, поэтому достаточно использовать провод толщиной не более 0,5мм.

Пример:


Кольцо Т50-6 (жёлтое, μ=8, D=12,7мм), провод ПЭЛШО 0,35, W=24 витка, L=2,82мкГн.
С проводом ПЭВ-2 0,5 добротность несколько выше, но не на много.

Результат измерений:












 Ёмкость конденсатора   Добротность контура Qxx   Резонансная частота 
 25 пФ   170   18,5 Мгц 
 50 пФ   205   13,3 Мгц 
 100 пФ   220   9,42 Мгц 
 150 пФ   220   7,72 Мгц 
 200 пФ   210   6,73 Мгц 
 250 пФ   205   6,05 Мгц 
 300 пФ   200   5,54 Мгц 
 350 пФ   200   5,14 Мгц 
 400 пФ   195   4,82 Мгц 
 450 пФ   190   4,56 Мгц 

Зато на кольце Т106-6 (жёлтое, D=27мм) пробная обмотка L=3,96мкГн (17 витков) проводом ПЭВ-2 1,0мм дала добротность более 400
при ёмкостях 100-400пФ!












 Ёмкость конденсатора   Добротность контура Qxx   Резонансная частота 
 25 пФ   240   15,7 Мгц 
 50 пФ   325   11,4 Мгц 
 100 пФ   400   8,25 Мгц 
 150 пФ   415   6,65 Мгц 
 200 пФ   420   5,6 Мгц 
 250 пФ   420   5,25 Мгц 
 300 пФ   415   4,78 Мгц 
 350 пФ   410   4,44 Мгц 
 400 пФ   400   4,16 Мгц 
 450 пФ   395   3,94 Мгц 

Как видим, изменение Qxx от изменения ёмкости переменника выглядит совершенно иначе, чем с простой соленоидной (в виде пружины)
катушкой без сердечника. Сразу бросается в глаза то, что Qxx максимальна не при минимальной ёмкости, как у простой катушки.
И также видно, что Qxx сохраняется высокой при максимальной ёмкости переменника.

Из вышесказанного можно сделать вывод 1, что если использовать маленький переменник с небольшой максимальной ёмкостью
(например, 10/50пФ, или 10/100пФ), то поддиапазоны можно переключать постоянными конденсаторами, не трогая катушки и запросто
перекрыть без потерь Qxx весь КВ-бенд, переключая эти конденсаторы.

Маленький переменник в пределах поддиапазонов обеспечит плавную и точную настройку.

Вывод 2 — можно не стремиться к маленьким ёмкостям контура, так как Qxx катушек на карбонильных кольцах максимальна не при малых
контурных ёмкостях. Это значит, что при таких больших ёмкостях контура изменение ёмкости переходов транзистора (а также других
паразитных ёмкостей) при изменении его режимов будет мало сказываться на стабильности частоты, так как ёмкость контура на 1-2
порядка больше, чем все указанные ёмкости».






 

Расчет индуктивности катушки

Coil32 – прекрасная программа для всевозможных расчетов, связанных с катушками индуктивности

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

Сегодня я хочу познакомить вас с очередной радиолюбительской программой.

Программа называется Coil32 и предназначена для расчета индуктивности катушек. Перед тем как мы рассмотрим эту программу, хочу выразить благодарность ее автору и создателю. К сожалению я не нашел его имени-отчества, да и фамилии тоже (даже в разделе “Об авторе программы”). Сайт создателя программы – coil32.narod.ru. Если у вас будут какие-либо замечания по работе программы, предложения, или вы захотите поблагодарить автора (возможно и материально – пожертвовав один рубль на развитие проекта) вы всегда сможете сделать это на сайте создателя программы.

Вот что пишет автор о своей программе:
Довольно часто перед радиолюбителем встает вопрос: “Как рассчитать индуктивность катушки?“. Катушки используются и в высокочастотной связной аппаратуре, и при конструировании акустических систем, и даже взглянув на материнскую плату компьютера, Вы и там обнаружите индуктивные элементы. С помощью программы Coil32 можно быстро рассчитать индуктивность катушки. В программе учитываются наиболее распространенные варианты каркасов катушек. Можно рассчитать бескаркасную катушку в виде одиночного витка, на каркасах различной формы, на ферритовых кольцах и в броневых сердечниках, а также плоскую печатную катушку с круглой и квадратной формой витков. Для рассчитанной катушки можно “не отходя от кассы” рассчитать емкость конденсатора в колебательном контуре.
Программа предназначена для расчета индуктивности катушек на разных каркасах: одно и многослойных, на ферритовых кольцах, в броневом сердечнике, плоских катушек на печатной плате, а также колебательных контуров. Имеется набор плагинов к программе для расчета дополнительных видов индуктивности. Список плагинов имеется на странице загрузки (в конце этой страницы вы сможете скачать последнюю версию программы с уже установленными всеми доступными плагинами). Также можно воспользоваться онлайн расчетом индуктивности (на сайте автора).

Программа бесплатна и свободна для использования и распространения.

В последней версии Coil32 v7.3 доступны:
♦ Расчет числа витков катушки при заданной индуктивности
♦ Расчет индуктивности катушки для заданного числа витков
♦ Расчет добротности для однослойных катушек
♦ Расчет индуктивности многослойной катушки по ее омическому сопротивлению
♦ Расчет длины провода, необходимого для намотки многослойной катушки
♦ Расчет длины провода, необходимого для намотки катушки на ферритовом кольце

Программа позволяет производить расчет следующих типов катушек индуктивности:
♦ Одиночный круглый виток
♦ Однослойная виток к витку
В качестве начальных параметров при расчете катушки можно выбрать два варианта:
◊ Известны диаметр каркаса и диаметр провода, длина намотки вычисляется.
◊ Известны диаметр каркаса и длина намотки, диаметр провода вычисляется
♦ Однослойная катушка с шагом
♦ Катушка с не круглой формой витков
♦ Многослойная катушка
В качестве начальных параметров при расчете катушки можно выбрать два варианта:
◊ Известны диаметр каркаса, длина намотки и диаметр провода. Вычисляется число витков, попутно определяется толщина катушки, ее омическое сопротивление постоянному току и приблизительная длина провода для намотки (“сколько надо отрезать”).
◊ Известны диаметр каркаса, длина намотки и предельное омическое сопротивление катушки. Вычисляется число витков, попутно определяется толщина катушки, нужный минимальный диаметр провода и приблизительная длина провода для намотки.
♦ Тороидальная однослойная катушка
♦ Катушка на ферритовом кольце
♦ Катушка в броневом сердечнике
(Ферритовом и карбонильном)
♦ Тонкопленочная катушка
(Плоская катушка на печатной плате с круглой и квадратной формой витков и в виде одиночного прямого проводника)

В чем преимущества программы перед аналогами?
◊ Программа рассчитывает индуктивность многих типов катушек. Можно подобрать оптимальный вариант, либо пересчитать катушку под имеющийся каркас.
◊ Результаты всех расчетов выводятся в текстовое поле, откуда их можно сохранить в файл. В дальнейшем Вы можете их просмотреть, чтобы не пересчитывать заново. Можно открыть этот файл в “MS Word” и распечатать.
◊ Есть возможность рассчитать добротность для радиочастотных однослойных катушек индуктивности.
◊ Можно рассчитать длину провода для намотки многослойной катушки и на ферритовом кольце
◊ Для катушек в броневых сердечниках есть возможность выбрать один из нескольких стандартных, что позволяет рассчитать катушку несколькими щелчками мыши.
◊ Для плоских катушек на печатной плате программа подскажет оптимальные размеры для достижения наивысшей добротности.
◊ В Сети часто встречаются программы для расчета индуктивности, работающие под DOS, о преимуществах Windows-интерфейса, думаю, говорить не приходится.
◊ Программа имеет возможность расширения функционала с помощью дополнительных плагинов для расчета индуктивностей
◊ Программа имеет мультиязычный интерфейс и скины, дополнительные наборы скинов можно найти на странице загрузки.
◊ Программа распространяется в стиле “Portable” и не имеет установщика. Для установки программы распакуйте файл Coil32.zip в любой каталог и запустите на выполнение файл Coil32.exe. При постоянной работе с программой, желательно создать для нее специальную папку и вынести ярлык Coil32.exe на рабочий стол.

Программа очень проста в использовании и разобраться в ней совершенно несложно. Кроме того, все ее возможности подробно описаны в разделе “Help”, там-же указаны формулы, по которым производится каждый расчет.
В разделе “Plugins” вы можете воспользоваться дополнительными возможностями программы (плагинами):
meandr_PCBv0.3 – Расчет плоской печатной катушки в форме меандра.
square_loop – Расчет индуктивности прямоугольной рамки
screen – Учет влияния экрана на величину индуктивности
multiloop – Расчет индуктивности многовитковой круглой рамки круглого сечения (для металлоискателей)
Ferrite – Расчет индуктивности на ферритовом стержне.
Precise Helix – Точный расчет однослойной катушки с произвольным шагом намотки.
MLC Precise – Точный расчет многослойной катушки с любой геометрией намотки по эллиптическим интегралам Максвелла.

У нас на сайте вы сможете скачать последнюю версию программы, с уже установленными всеми плагинами (а на сегодняшний день – их всего восемь):

  Программа для расчета индуктивности катушки Coil32_v7.3.7 (5.1 MiB, 13,637 hits)



Как опознать неизвестное ферритовое кольцо

Рано или поздно любой радиолюбитель сталкивается с необходимостью опознать неизвестное ферритовое кольцо. Возможно, кольцо просто долго пролежало в коробке, и вы забыли, из какого оно материала. А может быть, вы хотите перепроверить за продавцом, что он продал вам то, что нужно. Учитывая, что какие-нибудь FT240-43 и FT240-31 внешне практически неразличимы, их немудрено перепутать безо всякого злого умысла. Давайте же выясним, как с неплохой точностью опознать неизвестное кольцо.

Примечание: Если вы недавно стали следить за блогом, или просто проходили мимо, то, возможно, не понимаете, о каких таких ферритовых кольцах речь. Примеры их использования вы найдете в заметках Самодельный диполь: теория и практика, Многодиапазонная антенна End-Fed Half Wave, Самодельный балун по току 1:4 и далее по ссылкам.

Для начала рассмотрим немного другую задачу. Есть кольцо с внешним диаметром D1, внутренним диаметром D2, высотой h и известной магнитной проницаемостью μ. На кольцо намотана катушка из N витков. Спрашивается, какова будет индуктивность катушки? Эмпирические формулы были найдены в статье Расчет катушки на ферритовом кольце на сайте coil32.ru, которая в свою очередь ссылается на книгу 1986-го года «Справочник по расчетам на микрокалькуляторах», автор Дьяконов В.П.

Индуктивность в микрогенри для D1/D2 ≥ 1.75:

… и для случая D1/D2 < 1.75:

Все размеры в приведенных формулах — в миллиметрах.

Так вот, имея перед глазами эти формулы, нетрудно придумать алгоритм определения ферритового кольца. Замеряем его размеры. Наматываем катушку и измеряем ее индуктивность. По формулам определяем μ. Затем сверяемся с даташитами на ферритовые кольца в поисках похожих значений.

Чтобы не считать руками, был написан скрипт на Python:

#!/usr/bin/env python3
# vim: set ai et ts=4 sw=4:

import argparse
from math import log

parser = argparse.ArgumentParser(
    description=’Ferrite core permeability calculator’
    )
parser.add_argument(
    ‘-t’, metavar=’T’, type=float, required=True,
    help=’Core thickness, mm’)
parser.add_argument(
    ‘-di’, metavar=’Di’, type=float, required=True,
    help=’Core internal diameter, mm’)
parser.add_argument(
    ‘-de’, metavar=’De’, type=float, required=True,
    help=’Core external diameter, mm’)
parser.add_argument(
    ‘-n’, metavar=’N’, type=float, required=True,
    help=»Number of turns (10-15 should be fine)»)
parser. add_argument(
    ‘-l’, metavar=’L’, type=float, required=True,
    help=’Meadured inducatence, uH’)
args = parser.parse_args()

T = args.t
Di = args.di
De = args.de
N = args.n
L = args.l

if De/Di >= 1.75:
    u = L / (0.0002*T*N*N*log(De/Di))
else:
    u = (L * (De + Di)) / (0.0004*T*N*N*(De-Di))

Al = 1000*L/(N*N)

print(«Initial magnetic permeability: {}».format(u))
print(«Inductance factor of the core (Al): {}».format(Al))

То, что мы в этой статье называем просто μ, в даташитах обычно обозначается μi и называется начальной магнитной проницаемостью (initial magnetic permeability). Дело в том, что вообще-то μ является функцией от частоты. В даташитах указывается магнитная проницаемость для частоты 10 кГц. Некоторые производители вместо μi указывают фактор индуктивности, обозначаемый AL. Фактор индуктивности вычисляется из индуктивности катушки и числа витков по незамысловатой формуле, что используется в скрипте.

Давайте же опознаем неизвестное кольцо:

Для определения μ скармливаем скрипту размеры кольца, число витков и измеренную индуктивность катушки:

$ ./permeability.py -t 12.5 -di 35 -de 61 -n 10 -l 107.4
Initial magnetic permeability: 793.1076923076924
Inductance factor of the core (Al): 1074.0

Открываем табличку на сайте fair-rite.com и ищем материал с близким значением магнитной проницаемости. Приходим к выводу, что перед нами скорее всего 43-я смесь, для которой μ = 800 ± 20%.

Давайте попробуем на еще одном кольце:

$ ./permeability.py -t 12.5 -di 35 -de 61 -n 10 -l 239
Initial magnetic permeability: 1764.923076923077
Inductance factor of the core (Al): 2390.0

Тут чуточку сложнее, потому что чисто по магнитной проницаемости это может быть как 15-ая смесь, так и 31-ая, обе с μ = 1500 ± 20%. Но во-первых, я знаю, что отродясь не покупал кольца на 15-ой смеси. Во-вторых, беглый поиск в интернете показывает, что кольца на 15-ой смеси не бывают такими большими и обычно покрашены в красный цвет. Делаем вывод, что перед нами кольцо на 31-ой смеси.

Само собой разумеется, ничто не мешает использовать и другую информацию. Например, о плотности материала. Имеющееся у меня кольцо FT240-43 весит 125 г. Кольцо FT240-31 — полегче, около 116 г. Кроме того, если приглядеться, можно заметить небольшие отличия в цвете и текстуре материалов — 43-ий материал темно-асфальтового цвета, а 31-ый чуточку светлее, скорее темно-серый. Ну или, по крайней мере, это справедливо в отношении имеющихся у меня экземпляров.

Я проверял описанную методу и на других кольцах, с ними она также сработала. Конечно же, такой подход не универсален. Но если вы помните, какие кольца обычно используете в своих проектах, и вам нужно только отличить одно кольцо от другого, то способ работает весьма неплохо.

Ну и напоследок маленький совет. Когда вы опознали кольцо, обязательно подпишите его. Для этого хорошо подходит белая замазка. Тогда кольцо не придется опознавать заново.

Дополнение: Вас также может заинтересовать пост Определяем добротность и частоту собственного резонанса катушки индуктивности.

Метки: Электроника.

Исследуем удивительный мир ферритов / SimpleTesla / Сообщество разработчиков электроники

Началось всё с того, что пропала из продажи марка ферритовых колец P4, производимая ACME Electronics Corporation.
Мы их успешно использовали в течении предыдущих 6-ти лет практически для всех ферромагнитных нужд, большинство из которых естественно составляла намотка GDT и токовых трансформаторов. 🙂

По сути, мы просто использовали ту марку феррита которая работает, и которую проще всего достать(P4 действительно продавались почти в каждом ларьке). Но на сегодняшний же день достать её всё более и более проблематично, так что пришла пора найти P4 замену.


Изначально я хотел лишь проверить сигналы с нескольких доступных в продаже колец, но с любопытством ситуация быстро переросла практически в собирательство любых попавшихся под руку ферритов с целью исследования. Так же, было прочтено много-много материалов из сети дабы разобраться в каждой ранее непонятной мне мелочи.

Итогом стала данная статья, где я попробую подробней рассказать о такой замечательной штуке как мягкие ферромагнетики, а так же предоставить результаты тестов, среди которых есть весьма любопытные открытия. 🙂

Метод тестирования

Об академическом исследовании ферритов:

На самом деле исследование ферритов – это достаточно сложная процедура, представляющая из себя целую научную работу на каждый исследуемый образец.
Требуется определять размер гранул феррита под микроскопом, измерять сопротивление отдельной гранулы, снимать петли гистерезиста на разных частотах, отрисовывать графики и делать множество расчётов дабы разделить источники потерь.
Это слишком сложный тест дабы прогонять через него большое количество ферритов, но посмотреть на подобную работу по прежнему может быть интересно.
Вот к примеру исследование материала Epcos N87, выполненное политехническим университетом в Бухаресте: www.scientificbulletin.upb.ro/rev_docs_arhiva/full64f_313335. pdf
Меня же в основном интересует лишь практический результат – способен ли материал в принципе передавать прямоугольник в диапазоне 100-300 кГц, насколько он склонен к насыщению, и насколько приемлемые у него потери.

Есть достаточно простой способ, позволяющий получить эту информацию даже о неизвестных сердечниках – для которых за неимением данных просто нельзя что-то расчитать через формулы.

Не редко, даже когда есть название материала – даташит на него может не гуглиться, или быть слишком скудным на информацию, например опуская такие необходимые детали как B-H петля гистерезиса(см. ниже, как правильно расчитать количество витков).

Дабы определить на что способен сердечник – достаточно намотать на нём трансформатор с известным количеством витков, и подать на первичку прямоугольник.

При приложенном постоянном напряжении ток через индуктивность первички растёт линейно, вплоть до момента пока амплитуда поля не достигнет точки насыщения для феррита. Этот момент нам и нужно словить, чем шире период перед насыщением – тем меньшую частоту можно пропустить через сердечник при данном количестве витков.

Подробней об эффекте насыщения:

Сам эффект насыщения(англ. saturation) исходит от того что материалы могут быть намагничены только до определённого порога, например 300 мТесла для типичного MnZn феррита, или 1.6 Тесла для железа.
На магнитное поле свыше порога насыщения материал просто не реагирует, что в случае трансформатора приведёт к двум очень нежелательным эффектам: первичка перестаёт сопротивляться току и уходит в закорот, а напряжение на вторичке начинает заваливаться пока не упадёт в 0. В случае GDT это может одновременно и покоцать драйвер, и взорвать силовуху.
Избежать эффекта насыщения – и есть главная задача при правильной намотке трансформаторов.

Вот неплохая картинка из сети, слева чисто графическое изображение, как длина импульса может быть безопасной длины, максимальной, или выходящей за предел насыщения.

Справа показана реальная осциллограмма тока через первичку, куда был подан прямоугольник – токовый пик это как раз момент где первичка уходит в закорот из-за насыщения феррита.

Тестировать ферриты можно как одиночным импульсом, так и прямоугольником – последний предпочтительней т.к. это повторяющийся процесс и его проще ловить осциллографом.

Что же, теперь подробней о методе которым проверялись кольца из нашей статьи.
Нам понадобится осциллограф, и хороший драйвер затвора через который мы будем гонять исследуемое кольцо.
В моём случае сетап выглядел вот так:


В качестве драйвера применён SimpleDriver v2.3, модифицированный для работы в CW режиме.

Для этого драйверная часть была подключена в обход LM317, сама плата запитана от 18В, и заменён резисторный делитель схемы UVLO дабы сдвинуть порог срабатывания до 15-ти вольт. Изменять драйверную схему не требуется благодаря наличию RD-цепочек на затворах FDD8424;

Тест сердечников проходит в 3 этапа:

1. Заряд/разряд ёмкости в 10 нФ, что является эквивалентом затворов полумоста из MOSFET/IGBT транзисторов в TO-247.

Количество витков для начала будет фиксированным и составлять 4 витка.

Частота драйва: 300 кГц, а затем 100 кГц(границы интересуемого нас диапазона). По осциллограмме мы сможем сравнить ферриты между собой – при условии что у них примерно одинаковые физ. параметры;

2. Только самые продвинутые ферриты выдержат 100 кГц при 4-х витках без ухода в насыщение. Если же феррит не тянет – добавляем ему витков дабы увеличить индуктивность первички.

При большей индуктивности ток от приложенного напряжения растёт медленнее, и становится возможным гонять феррит на более низких частотах перед тем как тот достигнет насыщения;

3. И наконец – тест на потери. 10 нФ емкость заменяется на 100 нФ, что уже соответствует мосту из 8-ми IGBT в TO-247. Мы начинаем гонять эту ёмкость в CW, что в случае драйва от SD соответствует около 30 Вт мощности. Если феррит не предназначен для работы на наших частотах – он вскипит практически за секунды.

Да, при такой мощности на резисторе и даже конденсаторе выделяется масса тепла – их нужно окунуть в жидкость для охлаждения.

Подробно, о расчёте количества витков для известных сердечников:

Хотя статья почти полностью посвящена экспериментальному методу подбора витков – она была бы не полна без инструкции как количество витков можно расчитать математически.
Для этого есть формулы, и даже онлайн-калькуляторы, однако мало кто из людей умеет ими правильно пользоваться.
Например, известный калькуляторчик GDT из Калькулятории: tqfp.org/calculatoria/gdt/
Обычно, всё посчитав он выдаёт пользователю какое-то непонятное значение, например 1 или 2 витка — которые более того не работают с трансформатором на практике.
Происходит это т.к. при вводе данных юзер не учитывается большое количество нюансов.
Например, графа «амплитуда индукции магнитного поля, мТл». Человек просто посмотрит это значение в даташите, например 490 mT для Epcos N87. Однако ввести его в калькулятор будет неправильно, ибо как минимум это значение для 25-ти °C – эта температура будет превышена как при летней погоде(50°C в корпусах приборов это норма), так и от потерь при работе – феррит может разогреваться до 80°C при макс. нагрузке. По даташиту, значение магнитной индукции при 100 градусах уже падает до 390 мТ…
Однако и это значение не подходит формуле. 🙂
Вот на этом графике, чуть поглубже в даташите видно, что область BH графика с линейной характеристикой лежит значительно ниже чем макс. значение(B-H curve — зависимость магнитного потока от мощности магнитного поля).
Уже после этой точки феррит начинает насыщаться и линейность теряется:


Число в калькулятор снижается уже в 3-й раз, и теперь достигает 300 миллиТесла. 🙂

Однако и это ещё не всё.

Теперь добавим погрешности, например формула расчитана на то, что частотой в ней будет синусоида… Однако мы подаём прямоугольник, и таковой представляет из себя большое количество синусоид большей частоты.

Т.е. значение, которое мы записываем в поле «Рабочая частота, кГц» уже не совсем соответствует требованиям формулы.

Сами сердечники ещё имеют погрешность, их проницаемость из-за manufacturing tolerance может плавать аж на 10-15% в зависимости даже не от партии к партии, а от кольца к кольцу.

Особенно в старых ферритах по типу отечественного М2000НМ.

Когда феррит имеет округлости в форме – ещё сложно точно измерить его сечение(это нужно делать проволочкой, а не штангенциркулем).

В итоге накапливаются доп. погрешности, скомпенсировать которые можно разве что ещё дополнительным снижением значения амп. магн. поля – например гоняя кольцо на 85% от амплитуды линейной области B-H графика при 100 градусах.

Итого, значение в формулу у нас упало аж до 255 мТ от оригинальных 490 мТ из даташита – практически в 2 раза.

Если забить в калькулятор данные для GDT в SimpleTesla с учётом вышеперечисленного – он выдаёт нам правильные 4 витка, которые отлично работают. 🙂


Главная проблема мат. расчётов – это то что на материалы редко можно найти такой подробный даташит как у Epcos N87,

не редко другие даташиты полностью упускают B-H график при 100°C, что делает расчёт каких-либо моточных изделий практически невозможным.

Без графика единственным надёжным вариантом остаётся лишь экспериментальный способ подбора витков.

Кстати, может возникнуть желание просто намотать витков побольше, дабы сердечник уж точно не уходил в насыщение(в сети можно встретить конструкции где у GDT по 10-20 витков), однако так делать не стоит – не достигая пределов по амплитуде поля мы по сути перестаём эффективно использовать возможности кольца.

Кроме того, лишняя индуктивность может стать источником звона уже на реальных транзисторах во время переключения тока.

Больше информации о расчёте витков для ферритовых трансформаторов можно найти по ссылкам ниже:
makingcircuits.com/blog/how-to-calculate-ferrite-transformer-for-smps/
vpayaem.ru/information19.html

Что же, я думаю теории будет достаточно – приступим к практике!

Тестирование кандидатов на замену P4:

На самом деле их не так много, без особого труда на рынке можно достать следующие марки:

TP4A от TDG Group

Параметрами по идее лучше чем P4 и N87, однако даташит на TP4A весьма скудный:
www. 3 при 200 мТ, 100 кГц.
На 4-х витках держит переключение 100 кГц и 300 кГц, тест на прожиг так же проходит:

Стоят 7 UAH/штучку 18x10x8, что очень(!) дешево. 3 образца были куплены в РКС Компонентах. Отличное колечко!

PC40 от TDK

Он много где упоминается, но толкового даташита на материал мне найти не удалось, только вот это:
product.tdk.com/info/en/catalog/datasheets/ferrite_mn-zn_material_characteristics_en.pdf
Параметры на первый взгляд не плохие: 500 мТ индукция, 2300 ui проницаемость.

Но ведёт себя материал фигово, при 4-х витках на 100 кГц он почти насыщается – нужно доматывать виток.

Это значит что линейная область B-H графика у него лежит достаточно низко.

3 образца были куплены в 9В на радиорынке Караваевы Дачи, по 12 UAH/штучку.

EPCOS N87

Наверное, самый известный general purpose феррит, присутствующий на рынке уже почти 15 лет. 🙂
Примечательно, что хотя N87 и прочую линейку ферритов до сих пор приписывают конторе Epcos – та ещё в 2009-м была с потрохами выкуплена TDK и теперь является не более чем подразделением. Уже как 10 лет это TDK:
www.tdk-electronics.tdk.com/download/528882/71e02c7b9384de1331b3f625ce4b2123/pdf-n87.pdf

Тест колечко проходит, во время прожига не греется. Материал отличнейший, единственная его проблема – это цена.

Колечко 20x10x6 мм сегодня стоит 28 UAH, или же чуть больше $1/штуку.

ACME P4

О названии производителя:

Одному мне название напомнило мультфильм где койот гонялся за фиолетовой птицей? 😀


Назвать свою контору ACME – это ещё тот прикол. С 30-х и по 90-е года, когда США были мировым производителем товаров – это было собирательное для американского низкокачественного ширпотреба(от «american companies make everything»), который мог бабахнуть в руках или подвести в самый нужный момент. По этому у койота взрывался сам детонатор когда тот пытался бабахнуть птицу шашками с динамитом:


Сегодняшние китайские аналоги названия это NoName Brand или же Wun Hung-Lo Factory. 🙂

… но, не будем отвлекаться от темы ферритов.

Купить P4 сегодня уже напряг, но у меня ещё осталось около десятка сердечников. Конкретного даташита на материал нет, но по крупицам можно собрать необходимую информацию:
www.acme-ferrite.com.tw/en/material_p4.asp
www.acme-ferrite.com.tw/en/images/pro/p4material.pdf

На 100 кГц чуть-чуть не дотягивает, начинает сваливаться в насыщение – линейная область B-H графика у этого материала лежит достаточно низко, возможно даже ниже отметки в 300 мТ.

В принципе, какими-то фантастическими возможностями этот феррит не обладает – такой себе среднячок.

Популярность набрал сугубо из-за своей массовости и дешевизны, у нас продавался не дороже лежалых М2000НМ.

Советский М2000НМ

Запасы этого феррита наверное бесконечны. 🙂
Продаются в любом ларьке обеих радиорынков в Киеве, причем закупать можно чуть ли не оптовыми партиями. Большинство сердечников были изготовлены ещё в 80-е, и параметрами этот материал далеко не блещет.
Производитель даже не рекомендует применять его на частоте выше 100 кГц. Наш тест показывает следующую картину:

Как можно видеть – он вполне удовлетворительно держится и на частоте 300 кГц, но вот на 100 кГц при 4-х витках уже уходит в насыщение. Это влияет та самая низкая индукция насыщения, линейная область которой лежит ещё ниже. Однако, даже такой феррит вполне можно применять – достаточно намотать 6 витков вместо 4-х(уменьшить магнитную индукцию на 33%) и тот начнет выдавать честный прямоугольник. Вот сравнение сигналов с N87 на 4-х витках и М2000НМ при 6-ти:

На самом деле слабые параметры – это ещё не последняя проблема наших колечек. У этого феррита очень большие кристаллы, в отдельных случаях их даже видно невооруженным глазом, как те переливаются(можно было наблюдать на образцах ранних партий). Выливается это в большой разлёт параметров даже не от партии к партии, а прямо от кольца к кольцу. Я протестировал 5 колечек, и в насыщение на 100 кГц они уходили в разное время, наверное с разлётом в 10%, что очень не мало. Если гонять наш феррит на пределе возможностей то обязательно нужно проверять выходной сигнал осциллографом.

Примечательные ферромагнетики:

Большинство из них не предназначались производителем для интересуемых нами целей.
Это просто те материалы, которые мне удалось собрать по дому – однако давайте и их прогоним через стандартный тест, так сказать для расширения кругозора. 🙂

Распыленное железо

Наверное, любимая западня всех начинающих в силовой электронике. 🙂
Обычно такие кольца попадаются в желто-белом, или салатово-синем окрасе – новички принимают их за феррит и выкусывают из старых ATX блоков питания. Схемы на них естественно не запускаются, и когда человек идёт на форум – всем всё сразу понятно только по цвету колечка.
На самом деле, цветовые кода powdered iron колец предусматривают аж 13 вариантов, так что сугубо по цвету ориентироваться нельзя. Мне когда-то пападались полностью зелёные и чёрные кольца, которые тоже в итоге оказались распыленным железом и обеспечили увлекательные часы дебага. Проверить неизвестное кольцо наверняка можно только двумя способами: либо счистив краску надфилем(под ней будет блестящий металл), либо же проверив сигналы осциллографом.
В нашем тесте все 4 кольца выдают примерно похожую картину:

При 4-х витках кольцо распыленного железа сразу насыщается, т.к. основная фича этого материала – равномерно распределённые немагнитные зазоры, от чего проницаемость таких колец составляет всего 14-100 ui в зависимости от подтипа.

Ошибочно принято считать, что подобный материал годится не более чем для индукторов или фильтров синфазной помехи, глобально предназначаясь для частот сетевого диапазона 50-60 Гц.

На самом деле это заблуждение, данные колечки не представляют собой цельный кусок железа как сетевые трансформаторы – это железная пудра, которую смешивают с эпоксидкой и после заливают под давлением в форму. После схватывания получается материал с определёнными супер-способностям, а в частности:

1. Гранулы не находятся между собой в электрическом контакте, что драматически снижает нагрев этого материала от высокочастотных токов;

2. Мелкие гранулы в добавок имеют небольшие потери на перемагничивание, что позволяет распыленному железу работать на частотах вплоть до 500 кГц, а в случае отдельных материалов – до 2. 5 МГц!

3. Т.к. это по прежнему железо – оно сохраняет высокую устойчиваость к магнитному полю, выдерживая вплоть до 1.6 Тесла(как у неодимовых магнитов), что очень впечатляет. Типичный магнитомягкий феррит уходит в насыщение ещё при 300 миллиТесла.

Дабы продемонстрировать работу этих колец на высоких частотах – я домотал первичку до 19-ти витков, кольцо перестало насыщаться и выдало тот самый прямоугольник 300 кГц. 🙂

Хотя это и работает, железо всё же сильно проигрывает ферритам если применяется как высокочастотный трансформатор. Можно заметить что на осциллограмме фронт прямоугольника более плавный нежели с ферритов, это вызвано тем что железо отфильтровывает резкий фронт тепловыми потерями(не пропускает высокочастотную составляющую прямоугольника). Железо так же имеет намного большие потери чем у феррита, прокачивая через кольцо 300 кГц на 10 нФ оно уже становится тёплым, а на тесте прожига в 30 Вт(драйв 100 нФ ёмкости) оно буквально вскипает за секунды.

Поставить железное колечко намеренно в качестве трансформатора могут только с целью снижения стоимости производства прибора, т. к. распыленное железо в разы дешевле изделий из ферритов.

Основное же направление в использовании – это намотка индукторов, и для этой цели powdered iron даже выигрывает у феррита. Из-за мощной устойчивости в 1.6 Тесла возможно мотать индукторы даже меньшего размера чем если бы они были из феррита с зазором.

Подробней ознакомиться с типами и цветовой маркировкой железных колец можно здесь:
www.coretech.com.ua/docs/coretech_iron_powder_cores_%5B2012%5D.pdf

Ш-образный феррит от импульсного блока питания

Казалось бы, большинство таких питальников работают на частоте 60-300 кГц, и ферриты от них вполне должны работать в качестве GDT… Однако, картина на осциллографе говорит об обратном, сигнал с него 1 в 1 как с железа. 🙂

На самом деле феррит здесь такой как нужно, эффект на осциллограмме вызван наличием зазора в магнитопроводе(по центру), что в десятки раз повысило магнитное сопротивление контура.

Получается так потому, что воздух и даже вакуум тоже имеют некоторую магнитную проницаемость – итого зазор не обрывает магнитный контур, а встраивается в него, изменяя параметры.

Кстати, проницаемость пустого пространства μ0 – это одна из фундаментальных констант нашей вселенной и составляет она 0.0000012566370614 H/m, или же 1 μi.

Здесь много текста относительно зазоров в сердечниках:

Для удобства расчётов трансформатора на сердечнике с зазором придумали такую штуку как эквивалентная проницаемость μe – кольцо воспринимается как сделанное из менее проницаемого материала, чтобы при том же сечении и длине магнитопровода получалось такое же магнитное сопротивление.
К примеру, если бы наш Ш-образный сердечник не имел зазора, но был сделан из материала с проницаемостью 75 ui – это 100% эквивалентно такому же сердечнику с проницаемостью 2200 ui, но с зазором 0.2 мм.
Исключив зазор такой хитростью – μe можно забивать в стандартную формулу обмоток для сердечника без зазора.

Кстати, у рассматриваемого ранее распыленного железа тоже проницаемость сугубо эквивалентная.

Чистое железо имеет проницаемость 500 μi, но дабы не иметь проблем с расчётом миллиона микроскопических зазоров в виде эпоксидки – материал сразу позиционируют как 75 μe.

Да, относительно феррита с зазором и распыленного железа может возникнуть вопрос:

Если эти сердечники выдерживают больший ток через первичку перед насыщением – почему тогда он сразу уходит в насыщение на осциллограммах?

Ответ прост – от проницаемости зависит то сколько индуктивности нам даёт каждый виток в первичке.

Если 4 витка вокруг 20x10x6 колечка N87(2200 ui) дают нам 30 мкГн, то такая же обмотка на кольце распыленного железа(75 ui) дадут нам всего 0.9 мкГн. Приложенный прямоугольник на такую первичку быстро взлетает по току и насыщает кольцо.

Дабы получить 30 мкГн например на пыльном железе(75 μe) – нам понадобится аж 133 витка… Но у железа есть фича – 1.6 Тесла индукция насыщения – именно на железе можно намотать в 5 раз меньше витков и железное колечко не будет насыщаться.

По этому в разделе про распыленное железо получилось выжать какой-никакой сигнал всего при 19-ти витках.

Феррит с зазором же – по прежнему выдерживает всего 300 мТ, так что ему 133 витка обязательны.

В чём же тогда смысл добавлять зазор ферриту?

«Зазорные» сердечники в основном используют для преобразователей в топологии flyback(обратоходовый преобразователь). Они работают по другому принципу нежели прямоходовые преобразователи(в т.ч. и GDT) – и зазор там нужен дабы пропуская большой ток через первичку запасать энергию в индуктивности.

Подробно flyback топологию в этой статье мы рассматривать не будем т.к. это займет не менее ещё одной статьи.

Достаточно сказать что ферритовые сердечники с зазором нет смысла использовать для forward преобразователей – вам просто придётся наматывать 100+ витков дабы скомпенсировать низкую проницаемость, вместо нескольких витков при замкнутом контуре.

Ферритовая бусина с USB кабеля

Достаточно большим сюрпризом оказались фильтры для кабелей, которые казалось бы – одна из самых бесполезных штуковин в электронике. Всё, что они делают на кабелях – это гасят небольшую толику излучения, которая проскакивает во время общения по USB шине. Фильтры были навязаны законом об EMC-совместимости, но на практике ничего не решающем т.к. эфир давно промышленно глушится миллионом дешевых китайских импульсных БП. С любого кабеля можно этот фильтр снять без последствий, а многие китайские кабеля и вообще производятся без него.

В любом случае, оказалось что феррит этих бусин просто идеально подходит на роль GDT!

В достаточно широком диапазоне 80-400 кГц он выдаёт идеальный прямоугольник при 4-х витках, и не греется даже если пропускать сквозь него 30 Вт в CW. Почему так, ведь по идее данный феррит должен обладать большими потерями? А просто, эти потери возникают только начиная с сотен МГц, т.к. даже стандартный полезный сигнал USB 2.0 это 12 МГц.

Для низкочастотного трансформатора это замечательное кольцо – т.ч. можно начинать курочить старые USB кабеля. 🙂

Думаю особенно пригодится начинающим, у кого возникают проблемы с поиском ферритовых колец хороших марок. Старые кабеля есть практически в каждом доме по целой связке.

Всего было протестировано 3 больших бусин и 1 мелкая, причем мелкая была снята уже с аудиокабеля – совершенно не понимаю что она там делала. Все 4 бусины прошли тест на отлично.

Стоит правда подметить, что годятся только литые бусины. Разборные и защёлкивающиеся хоть и сделаны из того же феррита – они часто не смыкаются до конца, образуя крохотный зазор как на Ш-образном феррите.

Помехи такая бусина наверняка будет глушить не менее эффективно, а вот проводить сигнал уже будет фигово.

П-образные ферриты от синфазных фильтров

Это ещё одно место, где повседневно можно встретить ферритовый сердечник.
Подобные фильтры ставят на сетевом входе импульсных блоков питания, где они отделяют высокочастотный шум генерации от проникновения обратно в сеть.
1. Первым на нашем тесте феррит от фильтра серии SU16VD от Kemet. От него удалось найти весьма адекватный даташит, однако упоминаются в нём лишь данные о помехоподавлении и ни капли о ферромагнетике который юзается:
content. kemet.com/datasheets/KEM_LF0021_SU16VD.pdf

Не смотря на то что там не имеется никаких зазоров – сердечник достаточно быстро уходит в насыщение.

Похоже, что это материал NiZn(никель-цинк), проницаемость которых обычно в районе 800 μi.

Такие ферриты обычно расчитаны на работу от 1 МГц и выше.

2. Этот сердечник был вытащен из фильтра японского блока питания 80-х годов, по всей видимости от древнего VHS видеомагнитофона. Он, в отличии от предыдущего выдаёт абсолютно адекватную форму сигнала при стандартном тесте, т.е. сделан из какой-то марки MnZn ферритов:

В итоге, всё что можно сказать о сердечниках из фильтров – это то что они могут попасться из самых разных материалов, что не удивительно, ведь от этого зависит полоса подавления.

Если и вытаскивать такие сердечники, то их стоит обязательно проверять.

Подведем итоги

Сказать по правде – я был весьма удивлен тем насколько схоже ведут себя мягкие ферриты.
На рынке доступно огромное количество материалов от самых разных производителей, материалы производятся по разным технологиям, имеют разный химический состав, и им даже даются брендовые имена…
Когда-то прямо были баталии на форумах, где народ спорил относительно марок одного и того же феррита MnZn: одни хаяли отечественную марку М2000НМ, мол та плохая и не годится никуда, а другие рядом обожествляли импортный Epcos N87. 🙂
На практике же оказалось проще — все мягкие ферромагнетики работают примерно одинаково.

Нет, конечно среди них есть различия: отличается амплитуда намагничивания, у них разная проницаемость, разные потери на перемагничивание, потери от токов Фуко и т.д… Учтя все параметры материала можно подобрать такой, который будет более оптимален в определённых условиях – например на частоте 5 кГц, 100 кГц, 500 кГц, или 2 МГц. Но в конечном итоге все эти материалы работают через одни и те же принципы электромагнетизма, и более того работают в широких диапазонах, очень хорошо перекрывая друг друга по возможностям.

Главное оказалось – это всегда правильно посчитать обмотку дабы избежать насыщения.

P.S. Статейка получилась просто ужасно раздутой, так что кто дочитал – молодцы. 🙂

Если у кого есть замечания или вопросы относительно материала – буду рад зачитать ваши комментарии.

Так же мне вседа можно написать на почту: [email protected] com

ТЕСТЕР ИНДУКТИВНОСТИ

Бывает так, что имеется голый ферритовый сердечник, и нужно его намотать таким образом, чтобы еще на стадии намотки была возможность как-то замерить получившуюся индуктивность, не откусывая другой конец провода. И тут есть 2 варианта: если известный сердечник, тогда нужен просто калькулятор. Другой вариант когда есть сердечник, по виду видно вроде феррит, а что дальше? Если например преобразователь мощный, особенно нужно знать что это за феррит. Для этого можете использовать генератор ударного возбуждения. Вот его схема.

Итак, есть кольцо. К примеру К56х30х20 и нужно замерять проницаемость. Мотаем 10 витков и генератором ударного возбуждения меряем частоту свободных колебаний, а по ним, зная емкость конденсатора, рассчитываем индуктивность и проницаемость. Индуктивность 10-ти витков к примеру 580 мкГн. Тогда проницаемость получается около 2300. Меряем индукцию насыщения, собираем по-быстрому такой генератор:

Измеряем частоту генерации. К примеру, получили 1,93 кГц. Если не генерирует, надо поменять полярность базовой обмотки. Этот генератор без нагрузки переключается практически в точке насыщения. Есть формула: 

W = U*dT / (S*B*100)

откуда В = U*dT / (W*B*100)

  • U — 11,8 В, (0,2 В теряются на открытом транзисторе)
  • dT — ((1/F)/2 = (1/1970)/2)*1e6 = 254 мкс — длительность импульса
  • W — 12 S = 2,6 (квадратные см, площадь сечения магнитопровода.

Откуда В = 11,8*254 / (12*2,6*100) = 0,96

В этой схеме меняется индукция насыщения от -В до +В, то есть индукция насыщения равна 0,96/2 = 0,48.

Смотрим теперь на феррит, если углы не закруглены — это отечественный феррит, ищем аналог среди нашего, если закруглены в виде фасок, то импортный.

Например, наш феррит. У нас проницаемость 2300, индукция насыщения 0,48. Ближайший феррит (он подчеркнут) в самом низу. Ошибка измерения обычно менее 10%, но она конечно есть, так что это расхождение нормально.

Можно еще замерять точку Кюри: в кастрюльку поместить феррит притянутый к магниту (к примеру от старого громкоговорителя), но ни как ни супермагниты, у них малая температура точки Кюри, испортится магнит, и медленно греть, а когда отскочит — засечь температуру. до 120 С — марка НН, около 200 — марка НМ.

В интернете есть мнения что нагревать так нельзя, они заблуждаются. Эта процедура мною делалась неоднократно и не заметил чтобы феррит потерял свои свойства.

А дальше, зная феррит, в Интернете куча калькуляторов, по ним можно и рассчитать. Да, проверяя феррит нужно также рассчитать и добротность, если она меньше 5 — такой феррит не использовать, он бракованный, часто имеет дефект, например внутри микротрещина или магнитожесткий феррит. Я раз с таким ферритом попался — горят ключи и все. После замера добротности понял, что феррит с брачком, поменял феррит и все заработало.

Расчет добротности:

Q = Pi/Ln(U1/U2)

Где U1 — амплитуда 1 колебания, U2 — амплитуда колебания следующего за ним.

Можно посчитать добротность колебаний, что на первой картинке: первое колебание амплитуда: U1-6 единиц напряжение, вторая U2-5 единиц напряжение. Q = 3,14/Ln(6/5) = 17,22. Вполне нормальный феррит.

В общем из измерительных приборов схема генератора ударного возбуждения, наряду с осциллографом, у меня одна из самых востребованных. Вот фото готовой собранной. Все детали в основном SMD.

Кстати, если кольцо из распыленного железа, то на преобразователь оно не годится, только на дроссель. Если проницаемость большая, хотя бы 1000 (обычно 2300), то это феррит, если 100 или меньше, то очень большая вероятность что это распыленное железо. Если 10000 или больше, это может быть пермаллой (но вряд ли, его сейчас в быту не применяют, дорого). 

Вот если что цветная маркировка колец из распыленного железа. На этом всё, если остались вопросы, то велкам на форум. Автор материала derba.

   Форум по схеме

   Форум по обсуждению материала ТЕСТЕР ИНДУКТИВНОСТИ

Насыщение сердечника

НАСЫЩЕНИЕ СЕРДЕЧНИКА

Если через катушку с сердечником
протекает большой ток, то магнитный
материал сердечника может войти в
насыщение. При насыщении сердечника
его относительная магнитная проницаемость
резко уменьшается, что влечет за собой
пропорциональное уменьшение индуктивности.
Уменьшившаяся индуктивность вызывает
дальнейший ускоренный рост тока через
КИ, и т.д. В большинстве ИИП насыщение
сердечника крайне нежелательно и может
приводить к следующим негативным
явлениям:

— увеличенный уровень
потерь в материале сердечника и
увеличенный уровень омических потерь
в проводе обмотки приводят к неоправданно
низкому КПД ИИП;
— дополнительные
потери вызывают перегрев КИ, а также
расположенных поблизости радиодеталей
сильные магнитные поля в сердечнике в
сочетании с его уменьшившейся магнитной
проницаемостью являются многократно
усиленным по сравнению с нормальным
режимом работы источником помех и
наводок на слабосигнальные цепи ИИП и
другие приборы;
— ускоренно нарастающий
ток через КИ вызывает ударные токовые
перегрузки ключей ИИП, повышенные
омические потери в ключах, их перегрев
и преждевременный выход из строя;

ненормально большие импульсные токи
КИ влекут за собой перегрев электролитических
конденсаторов фильтров питания, а также
увеличенный уровень помех излучаемых
проводами и дорожками печатной платы
ИИП.
Список можно продолжить, но и так
уже ясно, что следует избегать работы
сердечника в режиме насыщения. Ферриты
входят в насыщение, если величина
плотности потока магнитной индукции
превышает 300 [мТ] (миллитесла), причем
эта величина не так уж сильно зависит
от марки феррита. То есть 300 [мТ] является
как бы врожденным свойством именно
ферритов, другие магнитные материалы
имеют другие величины порога насыщения.
Например, трансформаторное железо и
порошковое железо насыщаются примерно
при 1 [Т], то есть могут работать в гораздо
более сильных полях. Более точные
значения порога насыщения для разных
ферритов указаны в таблице 5.

Величина
плотности потока магнитной индукции в
сердечнике рассчитывается по следующей
формуле:

(8) B = 1000 * µ0 *
µe * I * N
/ le [мТ]  
где
µ0 — абсолютная магнитная проницаемость
вакуума, 1.257*10-3 [мкГн/мм]
µe
— относительная магнитная проницаемость
сердечника (не путать с проницаемостью
материала сердечника!)
I  —
ток через обмотку, [А]
N  —
количество витков в обмотке  
le
— длина средней магнитной линии сердечника,
[мм]

Несложное преобразование
формулы (8) поможет найти ответ на
практический вопрос — какой максимальный
ток может проходить через дроссель до
того, как сердечник войдет в насыщение:

(9) Iмакс = 0. 001 * Bмакс
* le / ( µ0 * µe * N
)  [A]  
где
Bмакс — табличное значение
для используемого материала сердечника,
вместо которого можно использовать
значение 300 [мТ] для любых силовых ферритов

Для сердечников с зазором удобно
подставить сюда выражение (4), после
сокращений получаем:

(10) Iмакс
= 0.001 * Bмакс * g
/ ( µ0 * N )  [A]  

Результат
получается на первый взгляд довольно
парадоксальный: величина максимального
тока через КИ с зазором определяется
отношением размера зазора к количеству
витков обмотки, и не зависит от размеров
и типа сердечника. Однако этот кажущийся
парадокс просто объясняется. Ферритовый
сердечник настолько хорошо проводит
магнитное поле, что все падение
напряженности магнитного поля приходится
на зазор. При этом величина потока
магнитной индукции, одинаковая и для
зазора и для сердечника, зависит лишь
от толщины зазора, тока через обмотку
и количества витков в обмотке, и не
должна превышать 300 [мТ] для обычных
силовых ферритов.

Для ответа на
вопрос, какой величины суммарный зазор
g надо ввести в сердечник,
чтобы он выдержал без насыщения заданный
ток, преобразуем выражение (10) к следующему
виду:

(11) g = 1000 * µ0 * I
* N / Bмакс  [мм]  

Чтобы
нагляднее показать влияние зазора,
приведем следующий пример. Возьмем
сердечник E30/15/7 без зазора,
феррит 3C85, магнитная
проницаемость µe = 1700.
Рассчитаем количество витков, необходимое
для получения индуктивности 500 [мкГн].
Сердечник, согласно таблице, имеет AL
= 1.9 [мкГн], воспользовавшись формулой
(7) получаем чуть более 16 витков. Зная
эффективную длину сердечника le
= 67 [мм], по формуле (9) вычислим максимальный
рабочий ток, Iмакс = 0.58 [А].

Теперь введем в сердечник прокладку
толщиной 1 [мм], зазор составит g
= 2 [мм]. Эффективная магнитная проницаемость
уменьшится, после несложных расчетов
по формулам (5) и (7) находим, что для
получения индуктивности 500 [мкГн] надо
намотать 125 витков. По формуле (10)
определяем максимальный ток КИ, он
увеличился до 3.8 [А], то есть более чем в
5 раз!

Отсюда следует и практическая
рекомендация для читателей, самостоятельно
конструирующих дроссели. Чтобы получить
катушку индуктивности, работающую при
максимально возможном токе, заполняйте
сердечник проводом полностью, а затем
вводите в сердечник максимально возможный
зазор. Если при проверочном расчете
окажется, что дроссель имеет чрезмерный
запас по току, то выбирайте меньший
размер сердечника, или, по крайней мере,
уменьшайте количество витков в обмотке,
чтобы снизить потери в меди, и одновременно
уменьшайте зазор в сердечнике. Важно
подчеркнуть, что эта рекомендация не
относится к трансформаторам, в которых
ток через первичную обмотку состоит из
двух составляющих: тока, передаваемого
во вторичную обмотку, и небольшого тока,
намагничивающего сердечник (ток
магнетизации).

Как видим, зазор в
сердечнике дросселя играет исключительно
важную роль. Однако не все сердечники
позволяют вводить прокладки. Кольцевые
сердечники выполнены неразъемными, и,
вместо того чтобы «регулировать»
эквивалентную магнитную проницаемость
при помощи зазора, приходится выбирать
кольцо с определенной магнитной
проницаемостью феррита. Этим и объясняется
факт большого разнообразия типов
магнитных материалов, применяемых
промышленностью для изготовления колец,
тогда как разъемные сердечники для ИИП,
куда легко ввести зазор, почти всегда
выполнены из ферритов с высокой магнитной
проницаемостью. Наиболее употребительными
для ИИП оказываются два типа колец: с
низкой проницаемостью (в пределах
50…200) — для дросселей, и с высокой
проницаемостью (1000 и более) — для
трансформаторов.

Порошковое железо
оказывается наиболее предпочтительным
материалом для кольцевых неразъемных
сердечников дросселей, работающих при
больших токах подмагничивания.
Проницаемость порошкового железа обычно
находится в пределах 40…125, чаще всего
встречаются кольца, выполненные из
материалов с проницаемостью 50…80. В
таблице 6 приведены справочные данные
кольцевых сердечников из порошкового
железа фирмы Филипс.

Проверить,
входит ли сердечник в насыщение при
работе ИИП, несложно, достаточно при
помощи осциллографа проконтролировать
форму тока, протекающего через КИ.
Датчиком тока может служить низкоомный
резистор или трансформатор тока. КИ
работающая в нормальном режиме будет
иметь геометрически правильную
треугольную или пилообразную форму
тока. В случае же насыщения сердечника,
форма тока будет искривлена. 2*S/Lср,
где
m — магнитная проницаемость
феррита,
m0 — магнитная
постоянная,
N — число
витков,
S — площадь
поперечного сечения феррита,
Lср
— длина средней линии ферритового
кольца.
Активное сопротивление обмотки
(без учета скин-эффекта):
R=p*Lп/S,
где
p — удельное сопротивление
меди (0.017Ом*м),
Lп — длина
провода обмотки,
Sп —
площадь сечения провода.

Расчет
дросселя я провожу в следующем порядке:
1)
Выявляем параметры ферритового кольца:
магнитную проницаемость m,
длину средней линии Lср,
площадь сечения S, индукцию
насыщения Bm. Последний
параметр можно узнать в справочнике по
известной марке феррита, либо на сайте
производителя феррита.
2) Задаемся
необходимой индуктивностью дросселя
L.
3) Зная параметры L,
m, Lср, S,
вычисляем необходимое количество витков
N.
4) Определяем максимальное
токопотребление нагрузки I
и берем с 10-15% запасом.
5) Зная параметры
m, Lср, S,
I, N рассчитываем
индукцию B внутри феррита.
Если она оказывается больше, чем 0.8Bm,
значит кольцо для поставленной задачи
не подходит, необходимо выбрать кольцо
либо бОльшего сечения, либо с бОльшей
индукцией насыщения.
6) Если индукция
не превышает 0.8Bm, определяем
удовлетворяет ли нас дроссель по
рассеиваемой мощности. Для этого задаемся
максимальной мощностью, рассеиваемой
на дросселе (Pm=0.5-2Вт в
зависимости от размеров кольца).
7) По
заданной мощности Pm и
токопотреблении I, определяем
активное сопротивление провода обмотки
R.
8) Подбираем провод,
которым собираемся наматывать (0.8-1мм
для намотки в один провод, 0.5-0.6мм для
намотки в несколько проводов).
9) Зная
сечение провода(ов) Sпр и
их активное сопротивление R,
вычисляем максимальную длину провода(ов)
Lпр.
10) Наматываем один
виток провода на кольцо и определяем
его длину Lв. Добавляем
1-2мм на угловое смещение провода при
намотке.
11) По найденной максимальной
длине провода Lпр и длине
одного витка Lв вычисляем
допустимое количество витков Nдоп.
12)
Если Nдоп оказываеся меньше
ранее посчитанного числа витков N,
необходимо использовать провод с бОльшим
сечением, либо наматывать в несколько
проводов.
13) Если Nдоп>=N,
оцениваем возможность намотки посчитанного
числа витков. Для этого измеряем
внутренний диаметр кольца d
и смотрим выполняется ли
неравенство:
pi*(d-Sпр)>=N*dпр,
где
Sпр — площаль сечения
предполагаемого к намотке провода,
dпр
— диаметр предполагаемого к намотке
провода.
14) Если неравенство не
выполняется, значит необходимо наматывать
в 2 или более слоя. Для маленьких колец
с внутренним диаметром до 8мм я лично
мотать в несколько слоев не советую. В
этом случае лучше взять кольцо бОльших
размеров, либо с бОльшей магнитной
проницаемостью.

С сайта —
_http://www.rom.by/comment/112509

всего
две формулы:
ЗАЗОР =мю0 * I квадрат * L
/Bквадрат * S

N = I*L / B * S

Или
еще проще:

зазор g = (m0 * I * N) / (0.001 *
Bмакс) (мм), N — количество витков, Bmax=0.3.
Не нужно знать индуктивность.

Источник
http://ferrite.com.ua/st1.html

Пардон.
Просто сдесь полно тех, кому вопрос
неинтересен, а интересно самоутверждение.
Всё
верно. 4 * пи на 10 в минус седьмой. Но не
думаю, что кто-то при расчётах пользуется
точностью более чем 3,14
,
а 3,1415926 вообще для многих нонсенс
. -6
Велика ли разница?

Ферриты индуктивности »Электроника

Подробная информация о ферритах и ​​технологиях их изготовления, используемых в качестве материала сердечников для многих индукторов и трансформаторов.


Индукторы Включает:
Типы индукторов
Характеристики
Как правильно выбрать индуктор
Ферриты
Ферритовые бусины


Ферриты — один из основных материалов сердечников, используемых в индукторах и трансформаторах.

Феррит индуктора используется для увеличения проницаемости среды вокруг катушки с целью увеличения индуктивности индуктора.

Ферриты

широко используются в индукционной технологии для улучшения характеристик индуктора.

Что такое феррит?

Ферриты в основном представляют собой магнитные материалы на основе железа в форме керамики.

Ферриты

изготавливаются из порошка, поэтому ферритовые сердечники, используемые в индукторах и других устройствах, могут изготавливаться различных форм в соответствии с требованиями.

Ферриты, или, как их еще называют, ферромагнитные материалы, можно разделить на две категории в зависимости от их магнитной коэрцитивной силы или устойчивости внутреннего магнетизма:

  • Мягкие ферриты: Мягкие ферриты — это ферритовые материалы, которые способны легко менять полярность намагничивания без значительного количества энергии, необходимого для изменения магнитной полярности.Это означает, что имеется только относительно небольшая потеря энергии.

    Мягкие ферриты также обладают высоким электрическим сопротивлением, поэтому при использовании в индукторах и трансформаторах потери на вихревые токи также низкие.

    Мягкие ферриты часто изготавливают из смеси оксидов железа, никеля, цинка или марганца. Марганцево-цинковые и никель-цинковые магниты являются наиболее распространенными из мягких ферритовых магнитов. Благодаря своему высокому сопротивлению мягкие ферриты широко используются в сердечниках катушек индуктивности или трансформаторов, поскольку они приводят к минимальным потерям энергии.

    Обычно к мягким ферритам относятся ферриты с коэрцитивной силой менее 1 кА.м.

  • Жесткие ферриты: Жесткие ферриты также могут называться постоянными магнитами. Они сохраняют полярность своего намагничивания после снятия намагничивающего поля, т. Е. Имеют высокий уровень остаточной намагниченности.

    Магниты из твердого феррита обычно изготавливаются из оксидов бария, железа или стронция. Они дешевы в производстве и представляют собой магниты, которые используются в большом количестве приложений, но чаще всего их можно встретить в таких приложениях, как стандартные бытовые магниты (например.г., кухонные магниты).

    Обычно твердыми ферритами считаются ферриты с уровнем коэрцитивной силы более 10 кА / м.

Ферриты обычно представляют собой химически инертные керамические материалы на основе железа. Обычно они имеют химическую структуру формата XFe2O4, где X — переходный материал.

Переходные металлы, используемые в ферритах
Название металла Металлический символ
Кобальт Co
Медь Cu
Марганец Mn
Магний мг
Никель Ni
цинк Zn

Для производства ферритов, используемых в индукторах и других устройствах, силы металлов смешиваются в пропорциях, а затем измельчаются до требуемого размера зерна, а затем прессуются в форму.

Спекание подразумевает нагрев материала до температуры примерно от 1150 ° C до 1300 ° C.

Спекание — это процесс, при котором порошкообразный керамический материал удерживается в форме для придания ему требуемой формы, а затем нагревается до температуры ниже точки плавления материала. Обнаружено, что атомы в частицах порошка диффундируют через границы частиц, так что частицы сливаются вместе. Таким образом создается единый твердый предмет.

Спеченный сердечник феррита индуктора может потребовать дополнительной обработки — его можно отшлифовать для получения очень плоской поверхности в ситуациях, когда требуются сопрягаемые половинки сердечника.В этом случае плоские поверхности необходимы для того, чтобы воздушные зазоры в индукторах, трансформаторах и т. Д. Были как можно меньше.

Готовый ферритовый материал содержит тысячи мелких кристаллов или зерен. Обычно они имеют диаметр около 10 мкм. Внутри каждого зерна или кристалла есть еще много меньших магнитных доменов, которые могут иметь случайную ориентацию после нагрева. При приложении внешнего поля эти домены будут иметь тенденцию ориентироваться в одном направлении.

Проницаемость феррита

Есть много параметров, которые важны, когда феррит используется в катушке индуктивности.Однако главным параметром феррита индуктора является проницаемость. Уровень проницаемости феррита индуктора позволяет ему иметь гораздо большую индуктивность, чем если бы использовался только воздушный сердечник.

Магнитная проницаемость ферритов, используемых в катушках индуктивности, значительно варьируется в зависимости от типа феррита. Они могут иметь уровни проницаемости от 20 до более 15000, хотя некоторые очень специализированные могут быть выше.

Потери в ферритовом сердечнике индуктора

Одним из основных параметров, представляющих интерес для инженеров-электронщиков, использующих ферриты в индукторах, являются потери в сердечнике, которые они проявляют, и их частотная зависимость.

Потери в сердечнике ферритового сердечника можно выразить следующим образом:

Где:
Pc = общие потери в сердечнике
Ph = потери на гистерезис
Pe = потери на вихревые токи
Pr = остаточные потери

Обнаружено, что гистерезисные потери линейно возрастают с увеличением частоты и магнитного потока. Потери на вихревые токи экспоненциально возрастают с увеличением частоты и магнитного потока. Однако обнаружено, что гистерезисные потери являются доминирующими потерями в сердечнике вплоть до частоты, определяемой характеристиками сердечника.Выше этого преобладают потери на вихревые токи.

Для улучшения высокочастотных характеристик размер зерна, используемого при приготовлении феррита, используемого для индуктора, должен быть небольшим, а также используемая смесь не должна содержать примесей.

Другие электронные компоненты:
Резисторы
Конденсаторы
Индукторы
Кристаллы кварца
Диоды
Транзистор
Фототранзистор
Полевой транзистор
Типы памяти
Тиристор
Разъемы
Разъемы RF
Клапаны / трубки
Аккумуляторы
Переключатели
Реле

Вернуться в меню «Компоненты».. .

Конструкция индуктора с магнитными ферритовыми сердечниками

Следующее руководство по дизайну также можно загрузить в формате PDF. По другим вопросам, касающимся конструкции индуктора с ферритовыми сердечниками Magnetics, обращайтесь к нашим инженерам-разработчикам или отправьте запрос на разработку индивидуального индуктора.

Сердечники из феррита E

и сердечники электролизера обладают такими преимуществами, как снижение стоимости и низкие потери в сердечнике на высоких частотах. Для импульсных регуляторов рекомендуются силовые материалы из-за их температурных характеристик и характеристик смещения постоянного тока.Добавляя воздушные зазоры к этим формам феррита, можно эффективно использовать сердечники, избегая при этом насыщения.

Эти процедуры выбора сердечника упрощают конструкцию катушек индуктивности для применения в импульсных регуляторах. Можно определить наименьший размер сердечника, предполагая коэффициент намотки 50% и допустимую нагрузку на провод 500 круговых мил на ампер.

Должны быть известны только два параметра проектных заявок:
(a) Требуемая индуктивность при смещении постоянного тока
(b) Постоянный ток

1. Вычислить произведение LI², где:
L = требуемая индуктивность при смещении постоянного тока (миллигенри)
I = максимальный выходной ток постоянного тока + пульсация 1/2 переменного тока

2. Найдите значение LI² в таблице выбора ферритового сердечника ниже.
Следуйте этой координате на пересечении с первой кривой размера ядра. Считайте максимальную номинальную индуктивность, A L , по оси Y. Это наименьший размер сердечника и максимальный размер A L , при котором можно избежать насыщения.

3. Любая линия размера сердечника, пересекающая координату LI², представляет собой работоспособный сердечник для катушки индуктивности, если значение сердечника A L меньше максимального значения, полученного на диаграмме.

4. Требуемая индуктивность L, размер сердечника и номинальная индуктивность сердечника (A L ) известны.
Рассчитайте количество витков, используя

где L в миллигенри.

5.Пример: если I MAX = 8 ампер; L, требуемая индуктивность = 100 мкГенри
LI² = (0,100 мГн) X (8² Ампер) = 6,4 миллиджоулей

6. Доступно множество ферритовых сердечников, обеспечивающих необходимую энергию.
Любой размер ядра, с которым пересекается координата LI², может использоваться при значении A L , показанном на диаграмме.

7. Некоторые варианты выбора, основанные на значении LI² в 6,4 миллиджоулей:
Сердечник котла 43622 A L = 400 Двойная плита 43622 A L = 250
PQ сердечник 43220 A L = 300 E сердечник 44317 A L = 250

8.Для следующих значений AL необходимое количество оборотов составляет:
A L = 400, N = 16 A L = 300, N = 19 A L = 250, N = 20
Убедитесь, что выбранный размер провода выдерживает ток и подходит для сердечника.

Приведенные выше кривые представляют собой геометрическое место точек, до которых эффективная проницаемость остается постоянной. Они показывают максимально допустимое смещение постоянного тока в ампер-витках без уменьшения индуктивности. За пределами этого уровня индуктивность быстро падает.

Пример: Сколько ампер-витков может поддерживать сердечник потенциометра 0R42213A315 без уменьшения значения индуктивности?
le = 3,12 см μ e = 125

Максимально допустимая H = 25 эрстед (из графика выше)
NI (максимум) = 0,80 x H x le = 62,4 ампер-витка
или (По верхней шкале максимально допустимая H = 20 A • T / см)
NI (максимум) = A • T / см x le
= 20 х 3.12
= 62,4 А • Т

скачать PDFЗагрузить инструмент для проектирования индукторовContact Magnetics

Ферритовые бусины: раскрытие тайны | Analog Devices

Введение

Эффективным методом фильтрации высокочастотного шума источника питания и чистого разделения одинаковых шин питания (то есть аналоговых и цифровых шин для ИС со смешанными сигналами) при сохранении высокочастотной изоляции между общими шинами является использование ферритовых шариков. Ферритовый шарик — это пассивное устройство, которое фильтрует энергию высокочастотного шума в широком диапазоне частот. Он становится резистивным в заданном частотном диапазоне и рассеивает энергию шума в виде тепла. Ферритовый валик соединен последовательно с шиной источника питания и часто объединяется с конденсаторами для заземления с обеих сторон валика. Это формирует сеть фильтра нижних частот, дополнительно уменьшая высокочастотный шум источника питания.

Однако неправильное использование ферритовых бусинок в конструкции системы может привести к некоторым вредным проблемам.Некоторыми примерами являются нежелательный резонанс из-за комбинации борта с разделительным конденсатором для фильтрации нижних частот и эффект зависимости постоянного тока смещения, который ухудшает способность борта борта подавлять электромагнитные помехи. Этих проблем можно избежать при правильном понимании и рассмотрении поведения ферритового шарика.

В этой статье обсуждаются важные соображения, которые необходимо учитывать разработчикам систем при использовании ферритовых шариков в системах питания, таких как сопротивление ичастотные характеристики с изменяющимся постоянным током смещения и нежелательными эффектами ЖК-резонанса. В конечном итоге, для решения проблемы нежелательного резонанса будут представлены методы демпфирования и будет представлено сравнение эффективности каждого метода демпфирования.

Устройство, используемое для демонстрации эффекта ферритовых шариков в качестве выходного фильтра, представляет собой импульсный стабилизатор постоянного тока 2 A / 1,2 A с независимыми положительным и отрицательным выходами (ADP5071). Ферритовые бусины, используемые в статье, в основном представляют собой корпусы для поверхностного монтажа чипового типа.

Упрощенная модель ферритового шарика и моделирование

Ферритовый валик можно смоделировать как упрощенную схему, состоящую из резисторов, катушки индуктивности и конденсатора, как показано на рисунке 1a. R DC соответствует сопротивлению шарика постоянному току. C PAR , L BEAD и R AC — это (соответственно) паразитная емкость, индуктивность шарика и сопротивление переменному току (потери в сердечнике переменного тока), связанные с шариком.

Рис. 1. (a) Упрощенная модель схемы и (b) график ZRX, измеренный Tyco Electronics BMB2A1000LN2.Ферритовые шарики

подразделяются на три области чувствительности: индуктивные, резистивные и емкостные. Эти области можно определить, посмотрев на график ZRX (показанный на рисунке 1b), где Z — импеданс, R — сопротивление, а X — реактивное сопротивление шарика. Для уменьшения высокочастотного шума валик должен находиться в резистивной области; это особенно желательно для приложений фильтрации электромагнитных помех (EMI). Компонент действует как резистор, который препятствует высокочастотному шуму и рассеивает его в виде тепла.Резистивная область возникает после частоты кроссовера борта (X = R) и до точки, где бусинка становится емкостной. Эта емкостная точка возникает на частоте, где абсолютное значение емкостного реактивного сопротивления (–X) эквивалентно R.

В некоторых случаях упрощенная модель схемы может использоваться для аппроксимации характеристики импеданса ферритового шарика до субгигагерцового диапазона.

В качестве примера используется многослойная ферритовая бусина Tyco Electronics BMB2A1000LN2. На рисунке 1b показан измеренный ZRX-отклик BMB2A1000LN2 на нулевой постоянный ток смещения с использованием анализатора импеданса.

Для области на измеренном графике ZRX, где бусинка кажется наиболее индуктивной (Z ≈ X L ; LBEAD), индуктивность борта рассчитывается по следующему уравнению:

где:

f — это частотная точка в любом месте области, где бусина кажется индуктивной. В этом примере f = 30,7 МГц. X L — реактивное сопротивление при 30,7 МГц, что составляет 233 Ом.

Уравнение 1 дает значение индуктивности (L BEAD ), равное 1.208 мкГн.

Для области, где бусинка кажется наиболее емкостной (Z ≈ | X C |; C PAR ), паразитная емкость рассчитывается по следующему уравнению:

где:

f — это частотная точка в любом месте области, где шарик кажется емкостным. В этом примере f = 803 МГц | X C | — реактивное сопротивление на частоте 803 МГц, равное 118,1 Ом.

Уравнение 2 дает значение паразитной емкости (C PAR ), равное 1.678 пФ.

Сопротивление постоянному току (R DC ), равное 300 мОм, берется из технических данных производителя. Сопротивление переменному току (R AC ) — это пиковое сопротивление, при котором бусина кажется чисто резистивной. Рассчитайте R AC , вычтя R DC из Z. Поскольку R DC очень мало по сравнению с пиковым импедансом, им можно пренебречь. Следовательно, в этом случае R AC составляет 1,082 кОм. Инструмент моделирования цепей ADIsimPE на базе SIMetrix / SIMPLIS использовался для расчета зависимости импеданса отчастотная характеристика. На рисунке 2a показана имитационная модель схемы с рассчитанными значениями, а на рисунке 2b показаны как фактические измерения, так и результаты моделирования. В этом примере кривая импеданса модели имитации схемы полностью соответствует измеренной.

Рисунок 2. (a) Имитационная модель схемы и (b) Фактическое измерение в сравнении с симуляцией.

Модель с ферритовым шариком может быть полезна при проектировании и анализе схем фильтрации шума. Например, аппроксимация индуктивности шарика может быть полезна при определении отсечки резонансной частоты в сочетании с разделительным конденсатором в сети фильтра нижних частот.Однако модель схемы, указанная в этой статье, является приближением с нулевым постоянным током смещения. Эта модель может изменяться в зависимости от постоянного тока смещения, а в других случаях требуется более сложная модель.

Рекомендации по току смещения постоянного тока

Выбор правильного ферритового шарика для силовых приложений требует тщательного рассмотрения не только полосы пропускания фильтра, но и характеристик импеданса шарика по отношению к току смещения постоянного тока. В большинстве случаев производители указывают только импеданс борта при 100 МГц и публикуют таблицы данных с кривыми частотной характеристики при нулевом постоянном токе смещения. Однако при использовании ферритовых шариков для фильтрации источника питания ток нагрузки, проходящий через ферритовый шарик, никогда не равен нулю, и по мере увеличения постоянного тока смещения от нуля все эти параметры значительно изменяются.

По мере увеличения постоянного тока смещения материал сердечника начинает насыщаться, что значительно снижает индуктивность ферритового валика. Степень насыщения индуктивности различается в зависимости от материала сердечника компонента. На рис. 3а показана типичная зависимость индуктивности от смещения постоянного тока для двух ферритовых бусинок.При 50% номинального тока индуктивность уменьшается до 90%.

Рис. 3. (a) Влияние постоянного тока смещения на кривые индуктивности и импеданса шарика по отношению к постоянному току смещения для: (b) шарика TDK MPZ1608S101A и (c) шарика Würth Elektronik 742 792 510.

Для эффективной фильтрации шумов источника питания в соответствии с рекомендациями по проектированию следует использовать ферритовые шарики с номинальным постоянным током примерно на 20%. Как показано в этих двух примерах, индуктивность при 20% номинального тока падает примерно до 30% для шарика 6 А и примерно до 15% для шарика 3 А.Текущий рейтинг ферритовых шариков является показателем максимального тока, который устройство может выдержать при заданном повышении температуры, и не является реальной рабочей точкой для целей фильтрации.

Кроме того, влияние постоянного тока смещения может наблюдаться в уменьшении значений импеданса по частоте, что, в свою очередь, снижает эффективность ферритового шарика и его способность устранять электромагнитные помехи. На рисунках 3b и 3c показано, как импеданс ферритового шарика изменяется в зависимости от постоянного тока смещения.При приложении только 50% номинального тока эффективное сопротивление на частоте 100 МГц резко падает со 100 Ом до 10 Ом для TDK MPZ1608S101A (100 Ом, 3 А, 0603) и с 70 Ом до 15 Ом для Würth Elektronik 742 792. 510 (70 Ом, 6 А, 1812 г.).

Разработчики систем должны полностью осознавать влияние постоянного тока смещения на индуктивность шарика и эффективное сопротивление, так как это может иметь решающее значение в приложениях, требующих высокого тока питания.

LC Резонансный эффект

Резонансный пик возможен при использовании ферритовой бусины вместе с разделительным конденсатором.Этот часто игнорируемый эффект может быть вредным, поскольку он может усиливать пульсации и шум в данной системе, а не ослаблять их. Во многих случаях этот пик возникает около популярных частот переключения преобразователей постоянного тока в постоянный.

Пик возникает, когда резонансная частота сети фильтра нижних частот, образованная индуктивностью ферритового шарика и развязывающей емкостью с высокой добротностью, ниже частоты кроссовера шарика. Полученный фильтр недостаточно демпфирован. На рисунке 4а показано измеренное сопротивление в зависимости отчастотный график TDK MPZ1608S101A. Резистивный компонент, от которого зависит рассеивание нежелательной энергии, не становится значимым до тех пор, пока не достигнет диапазона примерно от 20 до 30 МГц. Ниже этой частоты ферритовый шарик по-прежнему имеет очень высокую добротность и действует как идеальный индуктор. Резонансные частоты LC для типичных шариковых фильтров обычно находятся в диапазоне от 0,1 МГц до 10 МГц. Для типичных частот переключения в диапазоне от 300 кГц до 5 МГц требуется дополнительное демпфирование для уменьшения Q фильтра.

Рис. 4. (а) график TDK MPZ1608S101A ZRX и (б) отклик S21 для ферритового бусинки и конденсаторного фильтра нижних частот.

В качестве примера этого эффекта на рисунке 4b показана частотная характеристика S21 шарикового и конденсаторного фильтра нижних частот, которая демонстрирует эффект усиления. Используемая ферритовая шайба — TDK MPZ1608S101A (100 Ом, 3 А, 0603), а в качестве развязывающего конденсатора используется керамический конденсатор с низким ESR Murata GRM188R71h203KA01 (10 нФ, X7R, 0603). Ток нагрузки находится в диапазоне микроампер.

Незатухающий фильтр с ферритовыми шариками может иметь пики от приблизительно 10 дБ до приблизительно 15 дБ в зависимости от добротности схемы фильтра.На рисунке 4b пик наблюдается на частоте около 2,5 МГц с усилением до 10 дБ.

Кроме того, можно увидеть усиление сигнала от 1 МГц до 3,5 МГц. Этот пик является проблематичным, если он возникает в полосе частот, в которой работает импульсный стабилизатор. Это усиливает нежелательные артефакты переключения, которые могут нанести ущерб производительности чувствительных нагрузок, таких как контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), генераторы, управляемые напряжением (ГУН), и аналого-цифровые преобразователи высокого разрешения (АЦП). Результат, показанный на рисунке 4b, был получен при очень небольшой нагрузке (в диапазоне микроампер), но это реалистичное применение в секциях цепей, которым требуется ток нагрузки всего от нескольких микроампер до 1 мА, или в секциях, которые отключены до экономия электроэнергии в некоторых режимах работы.Этот потенциальный пик создает дополнительный шум в системе, который может создавать нежелательные перекрестные помехи.

В качестве примера на рисунке 5 показана прикладная схема ADP5071 с реализованным фильтром шариков, а на рисунке 6 показан спектральный график на положительном выходе. Частота коммутации составляет 2,4 МГц, входное напряжение — 9 В, выходное напряжение — 16 В, ток нагрузки — 5 мА.

Рис. 5. Схема приложения ADP5071 с реализацией фильтра нижних частот из шариков и конденсаторов на положительном выходе.Рис. 6. Спектральный выход ADP5071 при нагрузке 5 мА.

Резонансный пик возникает на частоте около 2,5 МГц из-за индуктивности шарика и керамического конденсатора 10 нФ. Вместо ослабления основной частоты пульсаций на частоте 2,4 МГц происходит усиление 10 дБ.

Другими факторами, влияющими на резонансные пики, являются последовательное сопротивление и импеданс нагрузки ферритового фильтра. Пики значительно уменьшены и демпфированы для повышения сопротивления источника. Однако при таком подходе регулирование нагрузки ухудшается, что делает его нереалистичным на практике.Выходное напряжение падает с током нагрузки из-за падения последовательного сопротивления. Импеданс нагрузки также влияет на пиковый отклик. Пиковая нагрузка хуже при легкой нагрузке.

Методы демпфирования

В этом разделе описываются три метода демпфирования, которые системный инженер может использовать для значительного снижения уровня резонансного пика (см. Рисунок 7).

Рисунок 7. Фактическая частотная характеристика для различных методов демпфирования.

Метод A заключается в добавлении последовательного резистора к цепи развязывающего конденсатора, который гасит резонанс системы, но снижает эффективность байпаса на высоких частотах.Метод B заключается в добавлении небольшого параллельного резистора поперек ферритового шарика, который также гасит резонанс системы. Однако характеристика затухания фильтра снижается на высоких частотах. На рисунке 8 показана кривая зависимости полного сопротивления от частоты MPZ1608S101A с параллельным резистором 10 Ом и без него. Светло-зеленая пунктирная кривая — это полное сопротивление шарика с параллельно включенным резистором 10 Ом. Импеданс бусины и резистора значительно снижен, и в нем преобладает резистор 10 Ом. Однако частота кроссовера 3,8 МГц для борта с параллельным резистором 10 Ом намного ниже, чем частота кроссовера отдельного бусинки на 40,3 МГц. Бусинка кажется резистивной в гораздо более низком частотном диапазоне, снижая добротность для улучшения демпфированных характеристик.

Рисунок 8. (a) график MPZ1608S101A ZRX и (b) график MPZ1608S101A ZRX, увеличенный вид.

Метод C состоит в добавлении большого конденсатора (C DAMP ) с последовательным демпфирующим резистором (R DAMP ), что часто является оптимальным решением.

Добавление конденсатора и резистора гасит резонанс системы и не снижает эффективность байпаса на высоких частотах. Реализация этого метода позволяет избежать чрезмерного рассеивания мощности на резисторе из-за большого блокирующего конденсатора постоянного тока. Конденсатор должен быть намного больше, чем сумма всех разделительных конденсаторов, что снижает требуемое значение демпфирующего резистора. Импеданс конденсатора должен быть значительно меньше демпфирующего сопротивления на резонансной частоте, чтобы уменьшить пик.

На рисунке 9 показан график положительного выходного сигнала ADP5071 с демпфированием по методу C, реализованным в прикладной схеме, показанной на рисунке 5. Используемые C DAMP и R DAMP представляют собой керамический конденсатор 1 мкФ и резистор SMD 2 Ом соответственно. Основная пульсация на частоте 2,4 МГц снижается на 5 дБ по сравнению с усилением 10 дБ, показанным на рисунке 9.

Рис. 9. Спектральный выход ADP5071 плюс бусинный и конденсаторный ФНЧ с демпфированием по методу C.

Как правило, метод C является наиболее элегантным и реализуется путем добавления резистора последовательно с керамическим конденсатором вместо покупки дорогостоящего специального демпфирующего конденсатора.Самые безопасные конструкции всегда включают в себя резистор, который можно настроить во время создания прототипа и который можно исключить, если в этом нет необходимости. Единственные недостатки — это дополнительная стоимость компонентов и большее необходимое пространство на плате.

Заключение

В этой статье приведены основные соображения, которые необходимо учитывать при использовании ферритовых бусинок. Здесь также подробно описывается простая схемная модель, представляющая бусину. Результаты моделирования показывают хорошую корреляцию между фактическим измеренным импедансом и частотной характеристикой при нулевом постоянном токе смещения.

В этой статье также обсуждается влияние постоянного тока смещения на характеристики ферритового шарика. Он показывает, что постоянный ток смещения, превышающий 20% номинального тока, может вызвать значительное падение индуктивности шарика. Такой ток может также снизить эффективное сопротивление шарика и ухудшить его способность фильтрации электромагнитных помех. При использовании ферритовых шариков в шине питания с постоянным током смещения убедитесь, что ток не вызывает насыщения ферритового материала и не вызывает значительного изменения индуктивности.

Поскольку ферритовый шарик является индуктивным, не используйте его с развязывающими конденсаторами с высокой добротностью без особого внимания. Это может принести больше вреда, чем пользы, поскольку вызывает нежелательный резонанс в цепи. Однако методы демпфирования, предложенные в этой статье, предлагают простое решение за счет использования большого разделительного конденсатора последовательно с демпфирующим резистором на нагрузке, что позволяет избежать нежелательного резонанса. Правильная установка ферритовых бусинок может быть эффективным и недорогим способом снижения высокочастотного шума и переходных процессов при переключениях.

Рекомендации

AN-583 Замечания по применению, Разработка силовых изолирующих фильтров с ферритовыми шариками для ПЛИС Altera. Корпорация Альтера.

Руководство по применению шумоподавления и развязки источников питания для цифровых ИС. Murata Manufacturing Co., Ltd.

Беркет, Крис. «Не все ферритовые шарики созданы равными — понимание важности поведения материала ферритовых шариков». Корпорация TDK.

Эко, Джефферсон и Олдрик Лимжоко. Рекомендации по применению AN-1368: раскрытие мифов о ферритовых шариках. Analog Devices, Inc.

Фанчер, Дэвид Б. «Ферритовые шарики ILB, ILBB: электромагнитные помехи и электромагнитная совместимость (EMI / EMC)». Вишай Дейл.

Хилл, Ли и Рик Мидорс. «Стюард EMI Подавление». Стюард.

Кундерт, Кен. «Снижение шума источника питания». Руководство дизайнера Consulting, Inc.

Уир, Стив. «ПДН Применение ферритовых шариков.ООО «ИПБЛОКС».

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Джеффа Уивера, Донала О’Салливана, Луку Вассалли и Пэта Михана (Университет Лимерика, Ирландия) за то, что они поделились своим техническим опытом и вкладом. Ферритовые индукторы

— Agile Magnetics, Inc.

В Agile Magnetics мы специализируемся на разработке надежных, нестандартных индукторов, которые точно соответствуют спецификациям приложений наших клиентов.С 1992 года наша высококвалифицированная команда возглавляет отрасль по производству качественных ферритовых индукторов для самых требовательных отраслей и приложений, обеспечивая клиентов необходимыми прецизионными магнитами.

Лучшие материалы для оптимальных решений

В ферритовых индукторах

, которые лучше всего подходят для высокочастотных приложений, используются ферритовые сердечники, которые состоят из керамических магнитных материалов, оксида железа и комбинации цинка, марганца и никеля. После тесного сотрудничества с клиентом для определения лучшего материала для его конкретного применения, наша команда производит индукторы на нашем предприятии площадью 40 000 квадратных футов, соответствующем требованиям ISO 9001.Этот собственный процесс проектирования и производства обеспечивает максимальный контроль, настройку и гибкость для наших клиентов.

Позвольте нам оптимизировать вашу высокочастотную конструкцию
Magnetics Design

Опции ферритового индуктора

Ферритовые индукторы

обладают рядом преимуществ, в том числе максимальной эффективностью и низкими потерями в сердечнике. Мы предлагаем ряд ферритовых индукторов различных форм и конструкций, чтобы точно соответствовать спецификациям вашего приложения, в том числе:

  • EE Ядра
  • UU Ядра
  • RM Ядра
  • Ядра горшка
  • EP Ядра
  • EFD Ядра
  • U Сердечники
  • ядер пользовательского интерфейса
  • Сердечники тороидальные
  • Ядра EPC
  • PQ Ядра
  • Кольцевые сердечники

Помощь экспертов в проектировании

В процессе разработки индивидуальных катушек индуктивности наша команда помогает клиентам оценить каждый фактор, влияющий на проектирование и производство их продукции, включая оценку номинального тока, требуемой индуктивности, диэлектрической прочности, а также приемлемых потерь в меди и сердечнике.

Каждый ферритовый индуктор Agile Magnetics соответствует самым высоким стандартам качества; Помимо того, что наша продукция полностью сертифицирована по ISO 9001: 2008 и AS9100, наша продукция может быть изготовлена ​​в соответствии со стандартами UL, CUL, CDE и CE. При необходимости также доступны маркировки UL и CUL.

Мы гордимся своей способностью производить катушки индуктивности на заказ своевременно и с минимальными затратами без ущерба для качества. Для получения более подробной информации о наших ферритовых индукторах, пожалуйста, свяжитесь с нами напрямую.

Позвольте нам оптимизировать вашу высокочастотную конструкцию
Magnetics Design

Расчет индуктора с ферритовым сердечником (из алюминия)

Расчет индуктора с ферритовым сердечником (из алюминия)


Калькулятор оценивает полное сопротивление и эквивалентную последовательную индуктивность
ферритовые индукторы с тороидальным сердечником на ВЧ.

СВН:

Калькулятор не выполняет много проверок ошибок, если ввести ерунду, он
будет производить чушь. NaN означает не число, проверьте входные значения.

Используемая модель представляет собой простой параллельный резонансный контур для представления
индуктивность витков, потери из-за потерь в сердечнике, как подразумевается сложным
проницаемость и эквивалентная паразитная емкость. Калькулятор не моделирует
эффекты размерного резонанса, которые возникают в некоторых ферритовых материалах (кроме
в той мере, в какой это улавливается µ ‘, µ’ ‘).

Катушки индуктивности

проявляют собственный резонанс, влияние которого можно оценить, шунтируя расчетную
серии R, Xl с эквивалентной емкостью, обычно в диапазоне от 2 до 10 пФ
(в зависимости от физического расположения, расстояния между витками и т. д.).

Потери в проводнике игнорируются, как и для большинства
В практических индукторах с ферритовым сердечником в RF потери в сердечнике значительно превосходят потери в меди.

Таблица 1: Описание полей ввода
Поле ввода Значение
Частота Частота для расчета Xl и R
Алюминиевый Индуктивность при постоянном токе 1 виток
в нГн
интерфейс Начальная проницаемость (т. е. при
DC)
мк ‘ Реальная часть комплексной относительной проницаемости
мкм Мнимая часть сложного родственника
проницаемость
Оборотов Количество витков
CS Расчетный эквивалент бездомных
емкость

Для расчета импеданса дросселя 6 витков на сердечнике БН-43-202 на 3.65 МГц
цитируется Al = 2500nH, мы во первых
необходимо определить µ ‘и µ’ ‘на частоте 3,6 МГц по данным производителя,
и пользовательский интерфейс.

Рис.1:

Рис. 1 из книги данных Fair-rite показывает комплексную проницаемость смеси № 43.
ui = 800. На частоте 3,6 МГц µ ‘= 470 и µ’ ‘= 224.

Допустим, Cs было 2 пФ.

Подставляя эти значения в калькулятор, вы должны получить Z = 637 + j1,25e + 3Ω и Leq = 55,1 мкГн (поэтому Q = Xl / R = 1,96).

Обратите внимание, что многие калькуляторы дают результат на основе µ i ,
Начальная проницаемость на низких частотах, 800 для микса # 43, но график показывает
что такой расчет действителен только примерно до 600 кГц для материала № 43.

Таблица 2
Частота (МГц) 31 43 52 61 67 73 F14
µi = 1500 µi = 800 µi = 250 µi = 125 µi = 40 µi = 2500 µi = 220
мк ‘ мкм µ ‘ мкм µ ‘ мкм µ ‘ мкм µ ‘ мкм µ ‘ мкм µ ‘ мкм
1. 8 1167,2 702,1 609,8 149,3 272,3 4,0 120,3 0,3 40,6 0,1 1540,4 1315,4 219 2
3,6 657,7 677,9 470,2 224,0 278,7 7,8 120.6 0,6 40,3 0,1 839,9 1057,1 235 4
7,1 359,1 476,1 332,0 228,0 305,2 73,8 123,4 1,2 40,2 0,1 457,4 803,3 265 36
10.1 275,3 385,3 259,7 220,4 258,2 138,7 127,4 2,1 40,3 0,1 296,7 685,7 257 89
14,2 223,4 323,8 201,2 204,3 186,8 151,2 136. 8 6,2 40,5 0,1 157,9 562,0 222 111
18,1 187,9 284,9 159,9 189,3 150,8 138,8 150,8 20,1 40,8 0,1 86,2 458,8 189 117
21.2 165,2 262,4 135,3 179,4 132,2 126,8 153,7 41,5 40,9 0,1 49,4 396,2 172 121
24,9 144,6 241,0 113,7 168,7 118,0 116,8 140.7 64,9 41,2 0,1 25,0 336,2 157 124
28,5 129,2 224,5 97,5 158,4 107,2 109,4 124,5 76,6 41,4 0,1 8,8 289,8 146 126

В таблице 2 приведены интерполированные значения для µ ‘и µ’ ‘для некоторых общих
микширует на точечных частотах в любительских ВЧ диапазонах.

Калькулятор может применяться для сердечников из порошкового железа, но иначе для
феррита, комплексная проницаемость обычно не публикуется (введите ее как ноль,
и R не может быть вычислено), и µ ‘имеет тенденцию быть менее чувствительным к частоте
на ВЧ, чем большинство ферритовых смесей.

Опыт показывает, что измеренная добротность сердечников из порошкового железа на ВЧ не соответствует
с формулами Micrometals, приведенными для потерь материалов №2 и №6. Калькуляторы
которые зависят от этих формул, также неверны.

Версия Дата Описание
1.01 25.03.2015 Начальный.
1.02
1.03
1.04
1. 05

© Авторское право:
Оуэн Даффи 1995, 2021.Все права защищены. Заявление об ограничении ответственности.

Как сконструировать катушку

Каждый любитель, желающий заняться радио, должен — в какой-то момент — намотать катушку или две, будь то антенная катушка AM-радио, катушка на тороидальном сердечнике для полосового фильтра в приемопередатчик связи или катушка с центральным отводом для использования в генераторе Хартли. Намотка катушек несложная, но довольно трудоемкая. Существуют разные методы изготовления катушек в зависимости от области применения и необходимой индуктивности. Воздушные сердечники являются наиболее широкополосными, но получение высокой индуктивности означает использование большого количества проводов, они также не являются наиболее эффективным средством для преодоления магнитного поля, выходящего из катушки — это выходящее магнитное поле может вызывать помехи из-за индукции в соседних проводах и других катушках.

Намотка катушки на ферромагнитную катушку фокусирует магнитное поле, увеличивая индуктивность. Отношение индуктивности после и до того, как сердечник с диаметром катушки был вставлен внутрь, называется относительной проницаемостью (обозначается μ r ). Различные обычно используемые материалы имеют разную относительную проницаемость, от 4000 для электротехнической стали, используемой в сетевых трансформаторах, до около 300 для ферритов, используемых в трансформаторах SMPS, и около 20 для сердечников из железного порошка, используемых на УКВ.Каждый материал сердечника должен использоваться только в указанном диапазоне частот, за пределами которого сердечник начинает демонстрировать высокие потери. Тороидальные сердечники с множеством апертур, горшок и другие закрытые сердечники заключают магнитное поле внутри сердечника, повышая эффективность и практически сводя к нулю помехи. Чтобы узнать больше об индукторах и их работе, перейдите по ссылке.

Индукторы с воздушным сердечником

Катушки с воздушным сердечником

подходят для катушек с низкой индуктивностью, где помехи не имеют большого значения.Катушки с небольшим количеством витков и относительно толстой проволокой наматываются на цилиндрический объект, такой как сверло или банка , которые затем удаляются и катушка поддерживает себя, иногда катушка покрыта смолой для большей механической устойчивости. Катушки большего размера с большим количеством витков обычно наматываются на неферромагнитный каркас, такой как полая пластиковая трубка или керамический каркас (для мощных ВЧ-катушек), а затем прикрепляются к каркасу с помощью клея. Чтобы намотать их, вам сначала нужно рассчитать требуемый диаметр провода, потому что он имеет большое влияние на общую длину катушки.

Формула для диаметра проволоки :

(√I) * 0,6 = d, где I - действующий или постоянный ток, а d - диаметр проволоки.  

Если катушки используются на низких уровнях мощности, диаметр провода не имеет большого значения, 0,3 мм подходит для большинства приложений, а 0,12 мм подходит для герметизированных катушек, если катушки используются в транзисторных радиоприемниках. Если катушка используется в генераторе, провод должен быть жестким, чтобы предотвратить эффекты коробления, поскольку они могут в некоторой степени изменить индуктивность и вызвать нестабильность частоты (возбуждение).

Далее нужно знать, какой диаметр должен быть у катушки. Рекомендуется, чтобы диаметр катушки составлял от 50% до 80% длины катушки для оптимальной добротности, и это зависит от того, сколько места может занимать катушка. Если катушка будет самонесущей, вы можете использовать болт или винт, намотать витки внутри пазов и удалить болт, отвинтив его, удерживая провод катушки, это делает катушку очень ровной и воспроизводимой.

Ниже приведена формула индуктивности для цилиндрической катушки

L = µ r (n 2 . 2 . р 2 / л) 0,00000126

L - индуктивность в генри,
μ  r  - относительная проницаемость сердечника (1 для воздушных, пластиковых, керамических и т. д. катушек),
n - количество витков,
π - это пи,
r - радиус катушки в  метрах  (от середины слоя разводки до середины обмотки) или
половина диаметра (от середины слоя разводки через середину до середины слоя разводки на другой стороне),
l - длина намотки в  м, 
а длинное число на обороте - проницаемость свободного пространства.

Еще одна формула индуктивности.

  L = (n  2 . D  2 ) / 18d + 40l  

Эта формула используется при намотке однослойной однородной катушки, при которой все витки намотаны плотно, без промежутков между ними. Единицы такие же, как в приведенной выше формуле, за исключением d, который представляет собой диаметр рулона в метрах.

Очень хороший калькулятор для катушки сделал Serge Y. Stroobandt, позывной ON4AA здесь.

Как сделать индуктор с воздушным сердечником

На намотайте обычную катушку с воздушным сердечником. вам понадобится формирователь, источник проволоки, немного наждачной бумаги или моделировочный нож (не показан) и немного суперклея или двусторонней ленты, чтобы удерживать провод на месте.

После проектирования катушки пора наматывать ее . Если вы делаете катушку с воздушным сердечником, рекомендуется использовать пластиковый формирователь для намотки, так как пластиковый формирователь неферромагнитен и не проводит электричество, это не повлияет на работу катушки при низкой мощности уровни. Затем отрежьте полоску двустороннего скотча по длине катушки и приклейте ее к каркасу, затем просверлите отверстия в каркасе там, где заканчивается виток и на отводах, снимите защитный слой с ленты и начните наматывать сначала пропуская его через просверленное отверстие, а затем наматывая его, как обычно, провод будет удерживаться двухсторонней лентой, в качестве альтернативы вы можете приклеить начало катушки к каркасу, намотав несколько витков цианакрилатным клеем, намотайте оставшуюся часть катушки и клей через каждые 1 см (также называемый суперклеем, используйте перчатки, его очень трудно удалить с кожи и вызывает раздражение). Для метчиков скрутите вместе кусок проволоки, пропустите ее через отверстие в образце и продолжайте как обычно. Попробуйте намотать витки плотно, после намотки снимите эмаль мелкой наждачной бумагой или лепочным ножом и залудите концы паяльником. Вы можете использовать измеритель LCR для измерения индуктивности или GDM, чтобы использовать GDM в качестве устройства для измерения индуктивности, см. Связанную статью.

Рисунки ниже объясняют процесс наматывания индуктора с воздушным сердечником :

Шаг 1: На двух рисунках ниже показан формирователь с кусочком ленты, куда будет наматываться провод. Отверстия и для удержания провода на месте.

Шаг 2: На рисунке ниже защитная пленка снята, намотка началась, и провод для отвода согнут и скручен .

Шаг 3: Затем проденьте отверстие в каркасе и вытащите его с другой стороны.

Шаг 4: Провода готовой катушки лужены путем погружения их в припой на куске ламината печатной платы.

Шаг 5: Наконец, индуктивность катушки измеряется с помощью измерителя LCR. Вы также можете использовать Arduino для измерения индуктивности катушки или использовать Grid Dip Meter (GDM) .

Катушки намотки на ферритовых стержнях

Обмотка катушек на ферритовых стержнях (например, антенны с ферритовыми стержнями в радиоприемниках) аналогична намотке катушек с воздушным сердечником, но с вы не можете просверлить ферритовый стержень , вам придется полагаться на двустороннюю ленту или клей крепко держать провод.Поскольку лента не всегда прилипает к ферриту, рекомендуется сначала покрыть стержень одним-тремя слоями бумажной малярной ленты прямо под тем местом, где должна проходить катушка, и наклеить ленту поверх него. Вы можете использовать суперклей, чтобы удерживать проволоку на месте, вместо двусторонней.

Для расчета катушки используйте приведенную выше формулу индуктивности для цилиндрической катушки, для μ r введите относительную магнитную проницаемость, указанную в таблице данных или онлайн-калькуляторе катушки. Если вы разработали катушку , вы можете намотать ее так же, как катушки с воздушным сердечником, но есть другой метод, более быстрый метод !

Поместите ферритовый стержень в электродрель, как сверло, и медленно вращайте его, стержень будет вращаться сам по себе, таким образом, вы можете очень быстро изготавливать высококачественные катушки с высокой индуктивностью с большим количеством оборотов! Если у вас есть пластиковые формирователи стержня, сначала намотайте их, а затем наденьте на катушку и приклейте на место.

Слева — заводская антенная катушка в радиовещательном приемнике, где катушка намотана на каркас, который прикреплен к стержню с помощью пластиковых элементов. Проволока закреплена эпоксидной смолой. Справа есть небольшая катушка на ферритовом стержне , изготовленная описанными выше методами.

Тороидальная обмотка сердечника

Тороидальные катушки довольно легко рассчитать, но немного сложнее.Тороидальные сердечники имеют широкий спектр применений, таких как индукторы фильтров в SMPS, дроссели RFI, силовые трансформаторы SMPS, входные фильтры RF, симметрирующие устройства, трансформаторы тока и другие.

Индуктивность тороидальной катушки в наногенри (когда индекс индуктивности AL указан в нГн / Н 2 ) можно рассчитать по следующей формуле:

  L (nH) = A  L  (nH / N  2 ) * Обороты  2   

После преобразования получаем формулу количества витков, необходимых для необходимой индуктивности:

  Необходимое количество оборотов = [L (nH) / A  L  (nH / N  2 )]  1/2   

Чтобы намотать тороидальную катушку, вам понадобится тороидальный сердечник, источник провода (хорошим источником являются отклоняющие катушки от старых ЭЛТ-телевизоров), мелкая наждачная бумага и немного суперклея.

Чтобы намотать тороид, вам сначала нужно отрезать проволоку соответствующей длины, потому что вы не можете пропустить катушку проволоки через отверстие. Чтобы рассчитать необходимый провод, умножьте длину окружности поперечного сечения кольца на количество необходимых витков. Иногда это указывается в таблице данных как mlt (средняя длина на оборот). На этом веб-сайте есть онлайн-калькулятор, который помогает в проектировании тороидальных катушек, просто выберите свой сердечник, подключите необходимую индуктивность, и он даст необходимое количество проводов и витков.

Шаг 1: Сначала пропустите один конец провода через отверстие, убедитесь, что он выступает примерно на 4 см — эта насадка называется косичкой.

Шаг 2: Оберните косичку вокруг сердечника, оставьте на расстоянии 1–2 см и закрепите остальную часть суперклеем.

Шаг 3: Используйте оставшуюся длину проволоки, чтобы намотать оставшуюся часть катушки, прикрепите более длинный конец к гвоздю или гвоздю для облегчения наматывания.

Поскольку ожидается, что катушка будет иметь низкую индуктивность (около 3,6 мкГн) в отсутствие профессионального измерителя LCR, лучше использовать GDM, поскольку обычные измерители на основе микроконтроллера имеют очень низкую точность при измерении малых индуктивностей. Конденсатор 680 пФ был подключен к катушке параллельно вместе с небольшой петлей связи. Эта схема имеет частоту 3,5 МГц (справа), помещая эти значения в вычислитель резонанса, мы получаем около 3 мкГн. Слева измеритель настроен на другую частоту вне резонанса контура.

Расчетные катушки могут давать очень разные результаты в реальных условиях из-за паразитных емкостей и вызванного ими параллельного саморезонанса.

Модернизация магнитных компонентов

Модернизация магнитных компонентов (индукторы, ферритовые шарики и трансформаторы)

В индукторах, ферритовых шариках и трансформаторах в качестве активного компонента используется ферритовый материал, поэтому можно ожидать, что они будут вести себя аналогичным образом при использовании в более широком диапазоне температур. Например, ферритовые бусины часто называют индукторами ферритовых бусин.

Катушка индуктивности — это катушка с проволокой, обычно намотанная на ферритовый сердечник. При прохождении электрического тока через катушку создается магнитное поле, пропорциональное току. Когда этот ток увеличивается или уменьшается, он создает изменение магнитного потока, которое, в свою очередь, генерирует напряжение, которое действует, чтобы противодействовать этому изменению тока. Следовательно, индукторы, как правило, предназначены для гашения скачков тока или фильтрации высокочастотных сигналов.

В ферритовых шариках также используется ферритовый материал, но в этом случае катушка или проводник проходит через ферритовый материал, а не наматывается на него. Как и в случае с индукторами, функциональность ферритовых шариков зависит от создания магнитного поля. В случае ферритовых шариков их цель — уменьшить EMI (электромагнитные помехи) и RFI (радиочастотные помехи).

В трансформаторах

используется сердечник из ферритового материала и несколько обмоток из медного провода для изменения выходного напряжения относительно входного.

Функциональные параметры (указаны в паспорте)

Примеры функциональных параметров, которые могут быть указаны в технических паспортах производителей, перечислены ниже. Можно видеть, что «похожие» детали, особенно магнитные, не всегда эквивалентны, и что каждый производитель может предоставить различную информацию в таблице данных.

Индуктивность в зависимости от температуры

Основная функциональность индуктора может быть выражена через индуктивность. Индуктивность — это функция проницаемости ферритового материала на основе уравнения

.

Измерения индуктивности выполняются при комнатной температуре.Taiyo Yuden и TDK предоставили информацию о том, как изменяется индуктивность их продуктов в заданном диапазоне температур (см. Рисунок 1). Важно отметить, что поведение этого критического параметра между -20 и -40ºC отсутствует в данных Taiyo Yuden.

Изменение индуктивности происходит постепенно в соответствующем температурном диапазоне. Резких изменений индуктивности не ожидается до тех пор, пока ферритовый материал не подвергнется трансформации, например, в точке Карри при высокой температуре, как показано на рисунках 2 и 3, или при очень низких температурах (<125 ° K).Выше температуры Кюри проницаемость сердечника резко исчезает, и материал перестает быть магнитным. В связи с этим обоснование спецификации TDK -20C, скорее всего, связано с наличием силиконового герметика. Силиконовые составы обычно имеют температуру стеклования от -30 до -40 ° C.

Q в зависимости от температуры

Ом — это просто отношение индуктивности к сопротивлению.

Зависимость сопротивления постоянному току от температуры

Материал катушки или проводника — обычно медь или серебро, и любые изменения сопротивления, как ожидается, будут соответствовать стандартным поведениям (см. Таблицу 1).

Зависимость частоты резонанса от температуры

Не удалось получить информацию о зависимости резонансной частоты от температуры.

Зависимость сопротивления от температуры

Информацию об импедансе в зависимости от температуры получить не удалось, но ожидается, что поведение будет аналогично сопротивлению постоянному току, как показано на рисунке 4.

Функциональные параметры (не указаны в спецификации)

Два функциональных параметра, которые могут вызывать беспокойство и не рассматриваются конкретно в техническом описании, — это потери в сердечнике и плотность потока насыщения (Bsat).

Core Loss

Катушки индуктивности

, рассчитанные на работу за пределами минимальных потерь материала в сердечнике, показанных на рисунке 5, уязвимы для теплового разгона. По мере того, как ядро ​​нагревается, он становится менее эффективным, что приводит к еще большему нагреву. Только когда устройство настолько горячее, что излучаемая энергия догоняет растущую энергию потерь, оно стабилизируется.

Плотность потока насыщения

Во всех ферритах плотность потока насыщения (Bsat) снижается с повышением температуры (см. Рисунок 6).Во многих приложениях, чтобы сохранить низкие потери, сердечники не работают в режиме насыщения. Но разработчику необходимо убедиться, что снижение Bsat при повышенной температуре не повлияет на работу устройства.

Электрическое перенапряжение (устойчивость)

Поскольку электрическая энергия и сигнал проходят через проводник или катушку, номинальное напряжение для индукторов и ферритов не предусмотрено. Вместо этого указаны текущие параметры, чтобы предотвратить перегрев продукта.Что касается ферритовой бусины, Taiyo Yuden четко указывает, что номинальный ток — это значение тока, при котором температура элемента увеличивается в пределах 20ºC. Удивительно, но кривых снижения номинальных значений приложенного тока не предусмотрено. Хотя это может означать, что текущий рейтинг действителен для данного диапазона температур, вы можете подтвердить это.

Износ

Хорошо известно, что длительное воздействие повышенных температур со временем может вызвать нежелательное старение порошковых материалов. Однако ферритовый материал, используемый в стандартных изделиях, работающих в условиях окружающей среды ниже температуры Карри, должен быть относительно устойчивым к такому поведению.

Пример модернизации

: трансформаторы

В качестве конкретного примера риска повышения номинальной мощности были оценены три одинаковых трансформатора от разных производителей.

Мидком 000-6241-37R-H

Импульсный h2012T

Дельта LF8200M

Перечисленные выше детали имеют следующие рабочие диапазоны

000-6241-37R-H имеет рабочий диапазон от -40 ° C до + 85 ° C

h2012T имеет рабочий диапазон от 0 ° C до + 70 ° C

LF8200M не обеспечивает рабочий диапазон

Чувствительные к температуре параметры, определяющие рабочие характеристики трансформатора, включают величину потерь (как при вводе, так и при возврате), время нарастания и спада, а также перекрестные помехи.Измерения этих значений относительно просты и понятны, что позволяет увеличить мощность устройства. Однако Pulse предлагает аналогичные устройства в промышленном рабочем диапазоне, и деталь Delta может быть указана для того же расширенного диапазона температур.

Другими факторами, влияющими на температурные ограничения, могут быть рейтинг изоляции проводов UL. Например, долговременная надежность трансформаторов обусловлена ​​ухудшением изоляции, которое зависит от рабочей температуры.

Поскольку эти устройства также доступны в расширенном диапазоне температур от -40 ° C до + 85 ° C (окружающего воздуха), этот вариант всегда следует рассматривать вместо повышения номинальных характеристик. Однако повышение мощности этих компонентов может не потребовать значительных ресурсов.

Заключение

Для индукторов диапазон температур обычно ограничивается упаковочными материалами. Что касается ферритовых шариков, то их более широкий диапазон температур, как правило, больше зависит от внутреннего поведения ферритового материала. Таким образом, катушки индуктивности и ферритовые бусины не должны снижать производительность или надежность в заданном диапазоне температур.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *