Джим Кокс (Великобритания), перевод Артёма Терейковского
В данной статье рассматриваются магнитные характеристики различных типов распылённого железа, производимого компанией Micrometals, а также рассматриваются особенности применения таких сердечников в сглаживающих дросселях, фильтрах сетевого питания и индуктивных компонентах резонансных преобразователей. Начало статьи смотрите здесь.
Для дросселей, работающих на высоких частотах пульсации, были созданы два новых материала: -18 и -52. В таблице 8 представлены сравнительные характеристики разных смесей.
Смесь -52, обладая такой же проницаемостью, как у материала 26, демонстрирует на 40% меньшие потери при частотах свыше 100 кГц, сохраняя ту же ценовую категорию. Смесь -18, в свою очередь, имеет более высокую проницаемость по сравнению с 8, сохраняя тот же уровень потерь и предлагая более низкую стоимость.
При проектировании дросселей с увеличенной переменной составляющей индукции необходимо учитывать не только рост потерь, но и воздействие переменной составляющей на индуктивность. На рисунке 8 показана зависимость изменений начальной проницаемости разных материалов от амплитудного значения магнитной индукции (Bpk). Это значение рассчитывается по формуле: Bpk = Erms × 10^8/4,44ANf, где Bpk измеряется в гауссах, Erms — действующее напряжение в вольтах, A — сечение сердечника в см², N — число витков, а f — частота переключения в герцах.
С увеличением уровней постоянной и переменной составляющих их влияние взаимно уравновешивается. Этот эффект продемонстрирован на примере материала -26, представленного на рисунке 9 при различных уровнях пульсаций. В то время как рост постоянной составляющей магнитной индукции в сердечнике приводит к снижению магнитной проницаемости, увеличение переменной составляющей, наоборот, способствует росту проницаемости. Это подразумевает, что дроссели, которые функционируют при увеличенной переменной составляющей, должны иметь меньшее количество витков, чем те, которые рассчитаны исключительно с учетом постоянного тока в обмотках.
Воспользуемся теми же данными, как и в предыдущем случае: индуктивность дросселя составляет 30 мкГн, а ток в обмотке — 10 А. В данном эксперименте дроссель будет работать при напряжении 12,7 В и частоте 100 кГц, с рабочим циклом 50%. Мы рассмотрим характеристики дросселя, используя кольцо Т106 из различных материалов. Количество витков для каждого случая рассчитывается по графикам зависимости накопленной энергии. Поскольку эти зависимости установлены для постоянного тока, результаты с переменной составляющей будут отличаться.
Индуктивность дросселя измеряется при 12,7 В, частоте 100 кГц и постоянном токе в 10 А, что позволяет проанализировать изменения индуктивности для различных материалов. Потери в меди (I2R) и в сердечнике, зависящие от амплитуды магнитной индукции (Bpk), представлены в таблице 9. При токе 10 А индуктивность дросселя во всех случаях превысила 30 мкГн. Материалы 18 и 8 демонстрируют наименьшие потери, но имеют высокую стоимость (см. табл. 1), тогда как смесь 52 стоит дешевле, но показывает большее количество потерь.
Материалы с высокой начальной проницаемостью, такие как 26 и 52, проявляют значительную амплитудную нелинейность при изменении рабочего тока, что позволяет дросселю обладать большей проводимостью на малых токах. Это может требовать увеличения индуктивности в условиях варьирующихся нагрузок на 10…20 раз от номинального значения.
Достижение данной цели возможно благодаря применению гибридного сердечника, который включает в себя ферритовое кольцо с высокой начальной проницаемостью и кольцо из распылённого железа. Феррит обеспечивает необходимую высокую индуктивность при низких токах, в то время как распылённое железо помогает аккумулировать требуемое количество энергии при высоких токах нагрузки. Нагрузка постоянным током на характеристики насыщения гибридных сердечников, составленных из композиций 267 и 275, демонстрируется на рисунке 10, где показана зависимость степени насыщения сердечника от постоянного тока. Напряженность постоянного магнитного поля Н (Э) вычисляется по формуле: Н = 0,4πNI/L, где N — количество витков, I — постоянный ток в обмотке (А), и L — средняя длина магнитного пути (см).
Композия 267 состоит из 33% феррита, аналогичного марке N67 (N87) от Epcos с проницаемостью 2300, и 67% распылённого железа марки -52 с проницаемостью 75. Композиция 275 содержит 25% феррита и 75% распылённого железа.
В дросселе классического корректора коэффициента мощности (ККМ), который основан на повышающих преобразователях, происходит постоянное изменение тока смещения основной частоты (50 или 60 Гц) и тока высокочастотного переключения. Этот фактор в сочетании с другими делает процесс расчета дросселей ККМ более трудоемким, нежели работа с обычным дросселем, который использует постоянное подмагничивание. Ранее была проведена оценка потерь в таком дросселе. В общем, разумно рассматривать ток смещения как постоянный ток, что облегчит расчеты. Так можно применять традиционные методы анализа.
ФИЛЬТРЫ ДЛЯ СЕТЕЙ 50/60 ГЦ
На входах традиционных источников питания применяются фильтры для подавления синфазных и дифференциальных высокочастотных помех. Синфазные помехи возникают симметрично между общим проводом и «ноль» с «фаза» сетевого источника. В то время как дифференциальные помехи появляются между «ноль» и «фаза».
Для подавления синфазных помех устанавливаются конденсаторы между общим проводом и входными клеммами. С целью обеспечения безопасности емкость этих конденсаторов ограничена, поэтому дроссели в входных фильтрах должны обладать достаточной индуктивностью, обычно превышающей 1 мГн. Обычно такие дроссели имеют две симметричные обмотки, намотанные на ферритовом сердечнике с проницаемостью не менее 5000. Магнитная индукция, возникающая от тока основной частоты (50/60 Гц), взаимно компенсируется, предотвращая насыщение сердечника. Хотя можно использовать магниты с меньшей проницаемостью, например, распылённое железо, необходимость в увеличении размеров для необходимого количества витков делает это решение менее целесообразным.
В отличие от этого, дроссели для фильтров дифференциальных помех должны эффективно подавлять высокочастотные помехи, не накапливая значительную магнитную индукцию от тока 50/60 Гц, что делает распылённое железо оптимальным выбором.
Сердечники, изготовленные из распылённого железа, демонстрируют явление магнитострикции, что подразумевает небольшие изменения их размеров под действием магнитного поля. В устройствах, работающих на частотах свыше 20 кГц, влияние магнитострикции можно не учитывать. Однако дроссели, функционирующие на частотах 50/60 Гц, могут заметно «жужжать», особенно если используются Е-образные сердечники. Уровень магнитострикции также зависит от формы тока в обмотках и амплитуды магнитного потока.
Анализ зависимости проницаемости от амплитуды магнитной индукции переменного тока показывает, что индукция насыщения распылённого железа превышает 1 Тл (10 000 Гс) и достигает пика в 1,4 Тл (14 000 Гс). Материалы с высокой начальной проницаемостью, такие как -26, проявляют более выраженную нелинейность магнитной проницаемости.
На графике, представленном на рис. 3, видно, что зависимость потерь для смеси -52 указывает на то, что при частоте 60 Гц этот материал способен работать в значительном диапазоне переменной магнитной индукции, не вызывая чрезмерных потерь. Однако при увеличении частоты потери материала -52 резко возрастут, что отрицательно влияет на добротность дросселя. Эта характеристика способствует более эффективному подавлению нежелательных высокочастотных сигналов.
Графики, демонстрирующие способность сердечников накапливать энергию при частоте 60 Гц, были получены в результате анализа поведения материалов при различных уровнях амплитудной магнитной индукции (см. рисунок 11). При этом остается неопределенным, как изменяется проницаемость вещества под воздействием слабых высокочастотных помех. Традиционный подход к расчету предполагает, что ток на основной частоте 50/60 Гц можно считать постоянным током.
ИНДУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РЕЗОНАНСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Альтернативным использованием накопительных дросселей являются резонансные преобразователи напряжения. Для того чтобы ограничения потерь в сердечнике были на приемлемом уровне, следует минимизировать индукцию в самом сердечнике. Применение материалов с низкой начальной проницаемостью приводит к увеличению количества витков обмотки, что, в свою очередь, позволяет снизить магнитную индукцию при сохранении того же тока.
Одним из способов снижения эффективной проницаемости и уменьшения магнитной индукции в сердечнике является создание локального воздушного зазора. На частотах, превышающих 100 кГц, потери, вызванные краевыми искажениями поля в этом зазоре, значительно увеличиваются и могут привести к серьезному локальному перегреву. В некоторых ситуациях потери в зазоре могут превысить те, что происходят в самом сердечнике.
На протяжении многих лет сердечники, изготовленные из распылённого железа, находят применение в источниках питания с высокой удельной мощностью, которые работают на частотах от 500 кГц до нескольких мегагерц. Всё чаще в резонансных преобразователях используется материал под названием -2. Этот материал обладает магнитной проницаемостью около 10, что позволяет ему функционировать с низкой индукцией в сердечнике, избегая появления зон локального перегрева. В условиях высоких рабочих частот крайне важно снизить потери в меди, и одним из способов достижения этой цели является использование лицендрата. На рисунке 12 представлена зависимость потерь в сердечнике от амплитудного значения магнитной индукции для материала (смеси) -2 на частотах до 2,5 МГц (потери на низких частотах экстраполированы из значений, полученных при высоких частотах). На этой основе были извлечены зависимости, которые отображены на рисунке 13. Этот график демонстрирует максимальное действующее значение переменного тока в обмотке как функцию индуктивности на частоте 1 МГц с допустимым температурным ростом из-за потерь в сердечнике на уровне 25°C.
Смесь -2 предназначена для резонансных цепей, работающих на частотах выше 20 кГц, в то время как смесь -30 служит для низкочастотных дросселей переменного тока в мощных источниках бесперебойного питания, функционирующих на частотах от 1 до 5 кГц. Этот материал обеспечивает оптимальный баланс между начальными значениями проницаемости, величиной потерь, характеристиками насыщения и стоимостью сердечника.
Продолжение следует…
One Comment