Джим Кокс (Великобритания), Перевод Артёма Терейковского
В этой серии статей рассматриваются магнитные характеристики различных типов распылённого железа, производимого компанией Micrometals. Также обсуждаются особенности применения этих сердечников в сглаживающих дросселях, дифференциальных сетевых фильтрах, устройствах для коррекции коэффициента мощности, дросселях для электронных балластов ламп светодиодного типа и высокочастотных резонансных преобразователях. В материалах будут приведены примеры расчётов и описан подход к аналитическому определению потерь в сердечниках.
Продолжение статьи: часть 2, часть 3.
Введение
Распылённое железо на протяжении многих лет служит материалом для производства различных сердечников, используемых в широком диапазоне частот. Его уникальная структура с распределённым воздушным зазором и высокая индукция насыщения делают его идеальным для применения в случаях, когда необходимо накопление энергии в сердечниковом зазоре. Сердечники, созданные из распылённого железа, обладают низкой стоимостью по сравнению с аналогичными материалами, что позволяет им выступать в качестве более доступной альтернативы дорогим сердечникам из молипермаллоя, материала HiFlux и альсифера (KoolMu). Кроме того, они способны заменять ферриты с зазором и магнитопроводы из металлических сплавов (например, Гаммамет) с зазором.
Сердечники из распылённого железа создаются из мельчайших частиц высокочистого порошка железа. Подготовленный порошок подвергается воздействию крайне высокого давления для формирования сердечника с необходимыми характеристиками и прочностью. В ходе этого процесса формируется магнитная структура с равномерно распределённым воздушным зазором.
Современные технологии позволяют производить сердечники различных форм и размеров. С помощью одной пресс-формы можно изготовить серию сердечников с разной толщиной, зависимой от давления во время прессования.
Распылённое железо может работать в достаточно строгих условиях. Оно демонстрирует относительно высокую термостойкость и выдерживает значительные механические нагрузки, не теряя своих свойств, однако подвержено термическому старению и не подходит для длительного использования при высоких температурах.
Магнитные характеристики распылённого железа хорошо подходят для различных дросселей, но менее эффективны в трансформаторах.
Сравнительные характеристики различных марок (смесей) представлены в таблице 1.
Относительная стоимость демонстрирует цену на кольца диаметром 1 дюйм, в то время как разница в стоимости у меньших диаметров менее выражена.
Типичные области применения различных смесей указаны в таблице 2.
*Смесь 30 была создана в качестве усовершенствованной альтернативы смеси 28. Точно так же смеси 34 и 35 отличаются уменьшенными потерями и сниженной стоимостью по сравнению с предыдущей смесью 33. Смеси 28 и 33 не включены в данную таблицу, но продолжают производиться.
ОПИСАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Смеси -2…-14 с низкой проницаемостью предназначены для функционирования при более низких значениях переменной индукции по сравнению с другими материалами. Смесь -14 обладает несколько превышающей проницаемостью по сравнению с -2.
Смесь -8 является самой оптимальной, но и самой дорогой среди высокочастотных материалов. Она имеет минимальные потери и низкую нелинейность проницаемости при высоких токах смещения/подмагничивания.
Смесь -18 демонстрирует сопоставимые с смесью -8 низкие потери при чуть более высокой проницаемости и более доступной цене. Она обладает отличными характеристиками при значительных токах.
Смесь -19 представляет собой бюджетный вариант смеси -18, имея такую же проницаемость, но с немного большими потерями.
Смесь -26 является распространённым материалом, который наиболее экономически выгоден для различных импульсных источников питания и фильтров помех, хотя в последнее время заменяется улучшенной смесью -52.
Смесь -30, обладая небольшой нелинейностью проницаемости и невысокой ценой, стала весьма популярной для мощных источников бесперебойного питания (UPS).
Смеси -34 и -35 предлагают экономичный вариант смеси -38 для менее критичных к потерям высокочастотных приложений, при этом сохраняя небольшую нелинейность при высоких токах.
Смесь -40 является самой дешёвой, с характеристиками, схожими с известной смесью -26, чаще всего используемой для крупных колец.
Смесь -45 обладает самой высокой проницаемостью и заменяет -52 при более выраженных потерях.
Смесь -52 обеспечивает меньшие потери на высоких частотах и такую же проницаемость, как у популярной смеси -26, и активно используется для дросселей фильтров.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Сердечники, изготовленные из порошкового железа, имеют органические компоненты, что делает их подверженными процессу, известному как термическое старение. При эксплуатации в условиях высокой температуры окружающей среды или из-за значительных потерь в сердечнике происходит постепенное снижение проницаемости и качества. Степень этих изменений зависит от таких факторов, как время, температура, размеры сердечника, частота работы и плотность магнитного потока. Эти аспекты необходимо учитывать при температурах выше 75°C. Понижение температуры до -65°C не вызывает необратимых изменений.
В мощных устройствах потери в сердечнике значительно способствуют росту температуры всего устройства. Уменьшение добротности приводит к увеличению потерь на вихревые токи, что в свою очередь усиливает нагрев сердечника и может вызвать необратимые изменения, превращая сердечник из магнитодиэлектрика в проводник. Рекомендуется избегать конструкций, в которых потери в сердечнике превышают потери в меди. Потери на гистерезис не изменяются под воздействием термического старения.
Подробное рассмотрение термического старения будет освещено в одной из последующих статей этого цикла.
ПОКРЫТИЕ
Тороидальные сердечники моделей Т14, Т16 и Т20 оснащены покрытием из парилена (Parylene C). Более крупные сердечники имеют двухцветное покрытие, одобренное Лабораторией по технике безопасности США. Все виды покрытий способны выдерживать переменное напряжение до 500 В при частоте 60 Гц, а также устойчивы к воздействию большинства растворителей. Однако длительное контактирование с некоторыми растворителями может причинить повреждения покрытию.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Энергия, аккумулируемая дросселем, вычисляется как половина произведения индуктивности на квадрат тока. Эта энергия пропорциональна квадрату эффективного значения плотности магнитного потока, делённого на эффективную проницаемость сердечника в конкретных условиях. Если речь идет о материалах с высокой начальной проницаемостью, таких как ферриты, добавление воздушного зазора позволяет уменьшить эффективную проницаемость и увеличить объем энергии, накапливаемой в сердечнике, благодаря дополнительной энергии, которая накапливается в зазоре.
При создании накопительных дросселей ограничения возникают из-за насыщения сердечника или перегрева, который обусловлен совокупными потерями в сердечнике и обмотке. В случаях, когда используется распыленное железо, ограничения, связанные с допустимым перегревом, проявляются значительно раньше, чем магнитное насыщение сердечника, поскольку проницаемость остается сравнительно низкой (<100), потери умеренные, а характеристика насыщения «мягкая».
На рисунке 1 представлены графики зависимости проницаемости от напряженности постоянного магнитного поля для разных смесей. Для смесей с высокой начальной проницаемостью, таких как -26 и \u001352, допустимо снижение проницаемости на 50% в процессе эксплуатации.
На рисунке 2 представлено семейство графиков, которые демонстрируют связь между ампер-витками и количествами энергии, накопленной в кольцах, изготовленных из смеси -52, при условии, что почти весь ток в обмотке остается постоянным. Это указывает на то, что переменная компонента тока незначительна и не приводит к ощутимым потерям в сердечнике. Графики показывают, что увеличение произведения IN (ампер-витки) приводит к большему накоплению энергии сердечником.
Например, воздействие 150 ампер-витков позволяет кольцу Т68-52 запасти 260 мкДж. Соответственно, при 600 ампер-витках накопленная энергия возрастает до 1400 мкДж. Эти результаты зависят от начальной индуктивности AL (нГн/вит^2) и свойств насыщения используемого материала.
Как уже упоминалось, в большинстве случаев допустимый температурный перегрев ограничивает объем энергии, которая может накапливаться в сердечнике, еще до момента, когда материал достигает магнитного насыщения. В третьей таблице указаны максимальные значения накопленной энергии при определенном температурном превышении для двух методов намотки. Из данных видно, что при однослойной намотке (где 80% внутреннего диаметра кольца остается пустым) кольцо T68-52 способно накопить 245 мкДж при температурном увеличении на 40°C. Таким образом, согласно приведенному примеру, 150 ампер-витков для накопления 260 мкДж приведет к нагреву чуть более 40°C. В случае заполнения внутреннего диаметра на 55% накопленная энергия в 260 мкДж вызовет рост температуры менее 25°C. Такое различие в температурных значениях обусловлено диаметром используемых проводов.
Данные, представленные в таблице 3, были получены в результате экспериментов, проводившихся на дросселе без принудительного воздушного охлаждения. В таких условиях, как указано в примере, для накопления 1400 мкДж кольцо T68-52 требует 600 ампер-витков, что приведет к недопустимому нагреву из-за увеличенных потерь в обмотке.
ПОТЕРИ В ОБМОТКЕ
Стандартный метод выбора диаметра провода, основанный на его способности пропускать ток определённой силы, может привести к ошибочным результатам. Увеличение температуры дросселя, вызванное потерями в обмотках, зависит от размеров кольца, диаметра провода и технологии намотки. К примеру, дроссель постоянного тока с минимальным скин-эффектом, выполненный в один слой проводом диаметром 0,404 мм для тока 1 А, покажет увеличение температуры всего на 10°C. Однако тот же метод порекомендует использовать провод диаметром 2,05 мм для тока 25 А, что может вызвать рост температуры на 40°C.
При одномоментной намотке температура более зависит от плотности тока в обмотках и не коррелирует с размерами кольца. Учитывая это, была составлена таблица 4, в которой указаны значения силы тока и диаметры проводов для допустимого повышения температуры на 10, 25 и 40°C.
В данной таблице показано, что для тока в 3 А с однослойной обмоткой и допустимым повышением температуры на 10°C необходимо использовать провод диаметром 0,912 мм. Если же допустимая температура из-за потерь в меди составляет 25°C, тот же диаметр провода способен пропустить ток до 5,26 А. При увеличении температуры на 40°C ток может достигать 6,81 А.
Создана аналогичная таблица для “комплектной” намотки, где 45% от внутреннего диаметра кольца остается пустым. Учитывая постоянный коэффициент заполнения меди, можно рассчитать показатели ампер-витков как зависимость от допустимого повышения температуры для различных размеров колец. В таблице 5 представлены максимальные значения ампер-витков при нагревах 10, 25 и 40°C, которые возникают из-за потерь в обмотке для ряда типоразмеров колец.
В таблицах 4 и 5 представлены значения удельного сопротивления (мОм/см) для проводов с различными диаметрами, а также усредненная длина витка для колец разных размеров. Это позволяет легко вычислить сопротивление обмотки, просто умножив удельное сопротивление провода на среднюю длину витка и количество витков. Кроме того, в таблицах указаны значения эффективной площади поверхности (см²) для типичных моточных изделий на базе колец с разными диаметрами. Данная информация является важной при определении температуры нагрева в зависимости от рассеиваемой мощности. Для получения данных, представленных в обеих таблицах, была использована следующая формула:
В ряде устройств переменная составляющая тока, проходящего через дроссель, может быть достаточно низкой, чтобы вызвать заметные потери. Тем не менее, при высокочастотных пульсациях, возникающих в процессе разработки устранителей реактивной мощности и высоковольтных систем, эти потери становятся критически важными. Проектирование дросселей для фильтров дифференциальных помех и резонансных преобразователей напряжения на частотах 50-60 Гц в значительной степени зависит от степени потерь в сердечнике.
ПОТЕРИ В СЕРДЕЧНИКЕ
Потери в сердечнике возникают из-за влияния переменного магнитного поля. Для каждого конкретного материала величина потерь зависит от частоты работы и изменения магнитной индукции (ΔB) и пропорциональна площади гистерезисной петли. Эти потери можно разделить на три категории: потери, связанные с перемагничиванием (гистерезис), вихревые токи и остаточные потери.
По сравнению с другими материалами, такими как Мо-пермаллой и альсифер, распылённое железо демонстрирует более высокие потери, что может ограничить его использование при больших пульсационных токах на высоких частотах. Поэтому важно точно оценивать реальные потери в сердечнике.
На рисунке 3 представлена зависимость мощности потерь от амплитуды магнитной индукции для материала -52. Эти данные были получены в результате экспериментов с использованием ваттметра фирмы Clarke-Hesse.
Для описания амплитуды магнитной индукции применяется следующая формула:
где Bpk – это амплитуда магнитной индукции (Г), ERMS – эффективное значение напряжения (В), A – площадь эффективного сечения магнитного сердечника (см²), N – количество витков, f – частота (Гц).
Данная формула используется для определения амплитудного значения индукции, на основе которого можно вычислить уровень потерь, как показано на рис. 3, при синусоидальном токе в обмотке. В результате в сердечнике возникает магнитная индукция, размах которой (ΔB) в два раза превышает рассчитанное амплитудное значение (Bpk) (см. рис. 4).
Подмагничивание сердечника постоянным током смещает петлю гистерезиса, однако не приводит к значительным дополнительным потерям в сердечнике. Потери зависят исключительно от размаха переменной магнитной индукции (ΔB).
На рис. 5 представлена стандартная форма прямоугольного сигнала, который воздействует на дроссель импульсного источника питания.
Учитывая, что произведения Et (вольт-секунд) во время включенного и выключенного полупериодов равны при постоянной скважности, изменение индукции ΔB для прямоугольного сигнала (не обязательно симметричного) выражается следующей формулой в системе СГС:
где ΔB – диапазон индукции (Г), Epk – пиковое напряжение на дросселе (В) за период t, t – время, когда ключ замкнут (с), A – эффективная площадь поперечного сечения сердечника (см^2), N – количество витков.
В однополярных приложениях, таких как обратноходовые источники питания, указанные формулы следует применять для проверки, превышает ли размах индукции допустимые значения для сердечника.
Так как в практике часто описывают потери сердечника в зависимости от амплитудного значения магнитной индукции при симметричном сигнале, кривые потерь предполагают амплитудное значение индукции Bpk, равное половине диапазона ΔB. Частота пульсаций, соответственно, составляет 1/tp.
Для вычисления амплитудного значения индукции в дросселе с постоянным током подмагничивания обычно применяют следующую формулу:
где Bpk = ΔB/2 – амплитуда переменной индукции (Г), Epk – амплитуда напряжения на дросселе (В) за время t, t – длительность замыкания ключа (с), A – эффективная площадь поперечного сечения сердечника (см²), N – количество витков.
При проведении расчётов дросселей с связанными обмотками применяются аналогичные формулы с допущением, что дроссель функционирует как единая обмотка, поскольку все витки работают согласованно, и показатели вольт-секунд на виток остаются одинаковыми.
В некоторых случаях, таких как корректоры коэффициента мощности, форма сигнала отличается от симметричной; соотношение между временем включения и выключения ключа меняется в течение основного периода частоты (50 или 60 Гц). В данной ситуации потери в сердечнике вычисляются как усреднённые за определённый период потери от каждого импульса. Магнитная индукция, появляющаяся в результате возбуждения, пропорциональна произведению Et, тогда как потери в сердечнике примерно пропорциональны квадрату индукции. Для анализа потерь при высоких частотах в подобных устройствах рекомендуется использовать ранее упомянутую формулу, подставляя среднеквадратичное значение напряжения за период частоты корректора (1/tp).
Помимо рабочей частоты, основная частота (50 или 60 Гц) также приводит к потерям в сердечнике, которые необходимо учитывать при расчете общих потерь.
Поскольку теплоотдача колец пропорциональна их поверхности, то есть имеет квадратичную зависимость от линейных размерностей, в то время как выделение тепла пропорционально объему (кубическая зависимость), маленькие кольца обеспечивают более эффективное рассеивание тепла по сравнению с кольцами больших размеров. В Таблице 6 представлена зависимость рассеянной мощности от предельного нагрева для различных типоразмеров колец. Кольцо Т30 имеет внешний диаметр 0,30 дюйма, а кольцо Т400 – 4 дюйма.
ДРОССЕЛИ С ПОСТОЯННЫМ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ
Поскольку в обмотке дросселей постоянный ток не вызывает потерь в магнитном сердечнике, главными факторами, влияющими на функционирование дросселей с подмагничиванием при низких напряжениях и частотах до 50 кГц, являются насыщение сердечника и потери в обмотке. Кривые, показанные на рисунке 2, были получены на основе потерь в обмотке и характеристик магнитного материала по отношению к постоянному току с уровнем пульсаций до 1%, что позволяет игнорировать влияние переменной составляющей.
На рисунке 2 представлено два набора кривых. Верхний набор иллюстрирует связь между накапливаемой энергией и ампер-витками для материала -52, в то время как нижний набор показывает зависимость между накапливаемой энергией и уровнем насыщения.
Термин «уровень насыщения» иногда вызывает недоумение. Например, если проницаемость сердечника составляет 90% от исходной (индуктивность дросселя равна 90% от минимального значения без нагрузки), то это означает, что сердечник насыщен на 10%. Соответственно, проницаемость сердечника, насыщенного на 30%, составит 70% от первоначального уровня.
Использование обоих наборов кривых упростит определение необходимого числа витков для заданного объёма накапливаемой энергии и изменения индуктивности дросселя, вызванного изменением рабочего тока.
Исследуем графики для оценки характеристик дросселя с индуктивностью 30 мкГн и током подмагничивания в 10 А. В таких обстоятельствах энергия, которую может накопить дроссель, составляет 1500 мкДж. Согласно таблице 3, кольцо Т106 способно удерживать эту энергию, если оно намотано в один слой и температура нагрева не превышает 25°C. По кривой для кольца Т106 видно, что для этого необходимо около 250 ампер-витков. Учитывая, что ток в обмотке равен 10 А, количество витков принимаем равным 25. В нижней части графика указано, что для хранения 1500 мкДж кольцо Т106 должно функционировать при степени насыщения 49%, что подразумевает индуктивность дросселя в 59 мкГн при низких токах. Подбираем подходящий диаметр провода для однослойной намотки из таблицы — 1,29 мм.
При использовании сердечника из смеси -8, согласно таблице 7, кольцо Т106 также оказывается подходящим. Для этого потребуется 270 ампер-витков или 27 витков провода диаметром 1,29 мм. Анализируя кривые для смеси -8, мы видим, что кольцо Т106-8 будет работать при степени насыщения всего 10%, с увеличением индуктивности на 3 мкГн.
Дроссели с соединенными обмотками часто применяются на выходе преобразователей, которые имеют несколько уровней выходного напряжения, для повышения качества регулирования. В таких ситуациях можно также использовать графики зависимости накопленной энергии. Пример подобной схемы представлен на рисунке 7.
Для эффективного функционирования дросселя с связанными обмотками требуется, чтобы соотношение витков обмоток трансформатора и дросселя было идентичным:
При анализе ампер-витков катушек N2 и N3, принимая во внимание, что они все подключены к N1, можно трактовать этот дроссель как однообмоточный:
Поскольку все ампер-витки относятся к обмотке N1, энергия, накапливаемая дросселем, определяется на основе эквивалентной индуктивности обмотки 1 и эффективного тока IX:
Полученное количество энергии используется для последующего определения необходимого размера сердечника типа Е или тороидального. По кривым, отражающим накапливаемую энергию, устанавливается значение ампер-витков (N1IX), что позволяет легко произвести расчет количества витков N1. Витки N2 и N3 вычисляются на основе известных взаимосвязей между обмотками.
В описанных ранее примерах переменная составляющая тока в обмотке считалась достаточно малой и игнорировалась в расчетах. Данный подход значительно упрощает процесс расчета, однако с увеличением рабочей частоты необходимо принимать во внимание все составляющие потерь.
Продолжение следует…
