Сердечники из распыленного железа в импульсных источниках питания

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
CHIP NEWS УКРАИНА
Сердечники из распыленного
железа в импульсных
источниках питания
Джим Кокс
Перевод Артема Терейковского, www.ferrite.com.ua
ВВЕДЕНИЕ
Р
аспыленное железо в течение мно
гих лет используется в качестве ма
териала при изготовлении разнообраз
ных сердечников для работы в широком
диапазоне частот. Присущая этому ма
териалу структура с распределенным
воздушным зазором в сочетании с вы
сокой индукцией насыщения делает его
наиболее подходящим для различных
применений, требующих накопления
энергии в зазоре сердечника. При наи
меньшей стоимости среди аналогичных
материалов, сердечники из распылен
ного железа могут успешно заменять
более дорогие из молипермаллоя, ма
териала HiFlux и альсифера (KoolMu).
Они также могут применяться вместо
ферритов с зазором и ленточных магни
топроводов из металлических сплавов
(типа Гаммамет) с зазором.
Сердечники из распыленного желе
за изготавливаются из мельчайших час
тиц порошка железа высокой чистоты.
Подготовленный порошок подвергается
воздействию очень высокого давления
для придания сердечнику необходимой
формы и прочности. При этом создается
магнитная структура с распределенным
воздушным зазором.
Существующие технологии позволя
ют изготавливать сердечники различных
форм и размеров. При помощи одной
прессформы можно получать несколь
ко отличающихся по толщине сердечни
ков в зависимости от развиваемого
прессом давления.
Распыленное железо допускает до
статочно жесткие условия эксплуата
ции. Оно имеет относительно высокую
температурную стабильность и выдер
живает значительные механические
нагрузки без заметных изменений
62
свойств, однако подвержено т.н. терми
ческому старению, поэтому следует
избегать длительной работы при высо
ких температурах.
Магнитные свойства распыленного
железа наилучшим образом подходят
для различных типов дросселей, однако
не являются оптимальными при исполь
зовании в трансформаторах.
В статьях этого цикла описываются
магнитные свойства различных марок
распыленного железа и особенности ис
пользования сердечников в сглаживаю
щих дросселях, дифференциальных сете
вых фильтрах, корректорах коэффициен
та мощности, дросселях электронных
балластов ламп дневного света и высо
кочастотных преобразователях резо
нансного типа. Будут приведены приме
ры расчетов, а также рассмотрен метод
аналитического определения потерь в
сердечниках.
Общие свойства различных марок
(смесей) приведены в табл. 1.
Относительная стоимость показыва
ет сравнительную цену продажи колец
диаметром 1 дюйм. Кольца меньших
диаметров имеют менее значительную
разницу в цене.
Типичные применения различных сме
сей представлены в табл. 2.
ОПИСАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
• 2/14 смеси с низкой проницаемос
тью предназначены для работы при
меньших (по сравнению с другими ма
териалами) значениях переменной
индукции. Смесь 14 имеет немного
большую проницаемость, чем 2.
• 8 наилучший, но самый дорогой из
высокочастотных материалов. Имеет
наименьшие потери и нелинейность
проницаемости при значительных то
ках смещения/подмагничивания.
• 18 имеет сравнимые со смесью 8
низкие потери при несколько более
высокой проницаемости и меньшей
стоимости. Прекрасные характерис
тики при значительных токах смеще
ния/подмагничивания.
Таблица 1. Общие свойства различных марок распыленного железа
Номер
Начальная
Плотность
Относительная
Цветная
смеси
проницаемость
(г/см3)
стоимость
маркировка
2
10
5.0
2.7
Красный/нет цвета
8
35
6.5
5.0
Желтый/красный
14
14
5.2
3.6
Черный/красный
18
55
6.6
3.4
Салатный/красный
19
55
6.8
1.7
Красный/салатный
26
75
7.0
1.0
желтый/белый
30*
22
6.0
1.4
салатный/серый
34 *
33
6.2
1.5
Серый/голубой
35 *
33
6.3
1.4
Желтый/серый
38
85
7.1
1.1
Серый/черный
40
60
6.9
1.0
Салатный/желтый
45
100
7.2
2.6
Черный/черный
52
75
7.0
1.4
Салатный/голубой
*
Смесь –30 была разработана как улучшенная замена смеси –28. Аналогично, смеси –34
и –35 имеют меньшие потери и стоимость, чем предшествующая –33. Смеси –28 и –33
не представлены в этой таблице, но попрежнему производятся
www.chipnews.com.ua
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Таблица 2. Типичные области применения различных марок распылeнного железа
Типичное применение
92
98
914
918
919
926
930
934
Дроссели электронных
x
балластов ламп дневного света
Дроссели фильтров
x
дифференциальных ЭМ помех
Дроссели с подмагничиванием:
x
x
x
<50 кГц, малое значение Et/N
Дроссели с подмагничиванием:
x
x
x
x
x
x
≥50 кГц, большое значение Et/N
Корректоры коэффициента
x
x
x
мощности: <50 кГц
Корректоры коэффициента
x
x
x
x
x
x
x
мощности: ≥50 кГц
Дроссели в резонансных
x
x
преобразователях: ≥50 кГц
•
•
•
•
•
•
19 недорогая альтернатива смеси
18. Имеет такую же проницаемость
при незначительно больших потерях.
26 широко применяемый материал.
Экономически наиболее эффективен
в разнообразных применениях в им
пульсных источниках питания и филь
трах электромагнитных помех. В пос
ледние годы заменяется улучшенной
смесью 52.
30 малая нелинейность проницае
мости, низкая цена и относительно
невысокая проницаемость сделали
этот материал наиболее популярным
при создании мощных источников
бесперебойного питания (UPS).
34/35 недорогая альтернатива
смеси 8 для применений, не критич
ных к уровню потерь на высоких час
тотах. Имеют малую нелинейность
проницаемости при значительных
токах смещения/подмагничивания.
40 самый дешевый материал. Харак
теристики подобны популярной сме
си 26. Чаще всего применяются коль
ца больших размеров.
45 имеет самую высокую проницае
мость. Заменяет смесь 52 при более
высоком уровне потерь.
52 имеет меньшие потери на высо
ких частотах и такую же проницае
мость, что и другой популярный мате
риал 26. Широко используется при
изготовлении дросселей фильтров,
работающих на высоких частотах.
ни, температуры, размеров сердечника,
рабочей частоты и плотности магнитно
го потока. Данные факторы обязатель
но следует учитывать при рабочих тем
пературах, превышающих 75°C. Сниже
ние температуры до 65°C не вызывает
необратимых изменений параметров.
В мощных устройствах потери в сер
дечнике вносят заметный вклад в повыше
ние рабочей температуры всего устрой
ства, при этом снижение добротности уве
личивает потери на вихревые токи, что
вызывает дополнительный разогрев сер
дечника и может вызвать необратимые
изменения, вследствие которого сердеч
ник из магнитодиэлектрика превращает
ся в проводник. Следует избегать разра
боток, в которых потери в сердечнике пре
вышают потери в меди. Потери на гисте
резис не изменяются вследствие терми
ческого старения.
Подробно термическое старение
будет рассмотрено в одной из последу
ющих статей этого цикла.
ПОКРЫТИЕ
Т
ороидальные сердечники типоразме
ров Т14, Т16 и Т20 имеют парилено
вое покрытие (Parylene C). Сердечники
больших размеров имеют двухцветное
покрытие, сертифицированное Лабора
торией по Технике Безопасности США.
Все покрытия выдерживают действую
щее значение переменного напряжения
500В, 60 Гц, и воздействия большинства
ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
растворителей. Длительное воздействие
некоторых растворителей может повре
ердечники из распыленного железа дить покрытие.
содержат органический компонент,
поэтому подвержены т.н. термическому
старению. При работе в условиях повы ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
шенной температуры окружающей сре
ды или вследствие высоких потерь в сер
оличество накапливаемой дроссе
дечнике постепенно происходит умень
лем энергии (в микроджоулях) вычис
шение проницаемости и снижение доб ляется как половина произведения индук
ротности. Масштабы этих изменений в тивности (в микрогенри) на квадрат тока
значительной степени зависят от време (в Амперах). Эта энергия пропорциональ
•
С
К
Chip News Украина, #7 (47), сентябрь, 2005
935
x
938
940
945
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
952
x
x
на квадрату действующего значения
плотности магнитного потока, деленно
го на эффективную проницаемость сер
дечника в данных условиях (B2/μэфф). Для
материалов, имеющих высокую началь
ную проницаемость (ферриты), введение
воздушного зазора позволяет снизить
эффективную проницаемость и увеличить
количество накапливаемой в сердечни
ке энергии за счет дополнительной энер
гии, накапливаемой в зазоре.
При разработке накопительных дрос
селей ограничения наступают вследствие
насыщения сердечника или изза перегре
ва, вызванного совокупными потерями в
сердечнике и обмотке. В случае исполь
зования распыленного железа ограниче
ния, определяемые допустимым перегре
вом, сказываются задолго до магнитного
насыщения сердечника, благодаря срав
нительно низкой (<100) проницаемости,
умеренным потерям и «мягкой» характе
ристике насыщения.
Зависимости изменения проницае
мости от напряженности постоянного
магнитного поля для различных смесей
показаны на рис. 1. Существуют форму
лы, описывающие эти кривые. Для смесей
с высокой начальной проницаемостью,
таких, как 26 и 52, допустимой считает
ся эксплуатация при снижении проница
емости на 50%.
На рис. 2 показано семейство кри
вых, иллюстрирующих соотношение
между ампервитками и количеством на
капливаемой энергии колец из смеси
52, при условии, что почти весь ток,
протекающий через обмотку, является
постоянным. Это означает, что пере
менная составляющая тока достаточно
мала и не вызывает заметных потерь в
сердечнике. Как видно из графиков, чем
больше произведение I*N (ампервит
ки), тем больше энергии накапливает
сердечник.
Например, при воздействии 150 ам
первитков кольцо Т6852 накапливает
260 микроджоулей. Соответственно, при
600 ампервитках накапливаемая энер
63
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
CHIP NEWS УКРАИНА
Рисунок 1
Зависимость степени насыщения от напряженности постоянного магнитного поля
Рисунок 2
Зависимость числа ампер9витков от накапливаемой сердечником энергии
гия составляет 1400 мкДж. Эти результа
Как было замечено выше, в большин
ты определяются начальной индуктивно стве случаев допустимый температурный
стью AL (нГн/вит2) и характеристикой на перегрев ограничивает количество накап
сыщения материала.
ливаемой в сердечнике энергии еще до
64
достижения магнитного насыщения мате
риала. В представленной на рис. 2 табли
це приведены максимальные значения на
капливаемой энергии при заданном пре
www.chipnews.com.ua
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Рисунок 3
Зависимость потерь материала 952 от амплитудной индукции переменного поля
вышении температуры для двух способов
намотки. Из этой таблицы видно, что при
однослойной намотке (80% внутреннего
диаметра кольца остается незаполненным)
кольцо T6852 может накопить 245 мкДж
при перегреве 40 C°. Следовательно, в
приведенном выше примере значение 150
ампервитков для накопления 260 мкДж
приведут к разогреву немногим более 40
C°. При заполнении внутреннего диамет
ра на 55% накопленная в сердечнике энер
гия 260 мкДж вызовет повышение темпе
ратуры менее 25 C°. Такая разница в зна
чениях температуры определяется диамет
ром используемых проводов.
Информация, приведенная в таблице,
получена экспериментально при длитель
ной работе дросселя без воздушного об
дува. При этих условиях, как видно из при
мера выше, для накопления 1400 мкДж
кольцо T6852 «потребует» 600 ампервит
ков, что вызовет недопустимый перегрев
изза повышенных потерь в обмотке.
ПОТЕРИ В ОБМОТКЕ
О
бычный метод выбора диаметра
провода, основанный на способ
ности провода определенного сечения
пропустить через себя ток определен
ной силы, дает некорректный результат.
Повышение температуры дросселя, выз
ванное потерями в обмотке, напрямую
связано с размерами кольца, диамет
ром провода и способом намотки. На
пример, температура дросселя постоян
ного тока, имеющего незначительный
скинэффект, намотанного в один слой
проводом 0.404 мм для тока 1 А, повы
сится всего на 10 C°. Тот же метод по
рекомендует провод 2.05 мм для тока
25А, что повлечет повышение темпера
туры на 40 C°.
При намотке в один слой, повышение
температуры зависит от плотности тока
в обмотке и не зависит от размеров коль
ца. С учетом этой особенности была по
лучена табл. 3, в которой определены
значения тока и диаметры проводов для
допустимого повышения температуры на
10, 25 и 40 C°.
Например, как следует из этой таб
лицы, для тока 3 А при однослойной об
мотке и допустимом нагреве на 10 C°,
следует использовать провод диаметром
0.912 мм. Если допустимый нагрев изза
потерь в меди не более 25 C°, этот же
диаметр может пропустить ток до 5.26 А.
При повышении температуры на 40 C°
ток может достигать 6.81 А.
Подобная таблица разработана для
Chip News Украина, #7 (47), сентябрь, 2005
«полной» намотки (незаполненными ос
таются 45% внутреннего диаметра коль
ца). При постоянном коэффициенте за
полнения медью становится возможным
определить значения ампервитков как
функцию допустимого повышения тем
пературы для различных типоразмеров
колец. В табл. 4 приведены максималь
ные допустимые значения ампервитков
при заданном нагреве 10, 25 и 40 C° со
ответственно, возникающем изза по
терь в обмотке, для некоторых типораз
меров колец.
В обеих таблицах приведены значе
ния удельного сопротивления (мОм/см)
проводов различного диаметра, а так
же средняя длина витка для колец раз
личного диаметра. Благодаря этому со
противление обмотки может быть опре
делено простым перемножением удель
ного сопротивления провода на сред
нюю длину витка и на количество вит
ков. Также приведены значения эффек
тивной площади поверхности (см2) ти
пичных моточных изделий на основе ко
лец разного диаметра. Эта информа
ция полезна при определении темпера
туры нагрева как функции рассеивае
мой мощности. При получении данных
обеих таблиц использовалась следую
щая формула:
65
66
0.80
0.96
1.19
1.44
1.53
1.84
2.01
2.32
2.95
2.48
3.68
2.47
3.41
2.8
4.07
3.64
3.44
4.49
3.86
4.75
5.11
4.75
5.28
5.89
6.58
7.54
6.5
6.93
10.4
7.95
10.5
11.1
14.4
13.7
23.1
Т16
Т20
Т25
Т30
Т37
Т44
T50
T50B
T50D
T60
T60D
T68
T68D
T80
T80D
T90
T94
T106
T106A
T130
T131
T141
T150
T157
T175
T184
T200
T225
T250
T300
T300D
T400
T400D
T520
T650
Тип
223
301
384
496
986
89.2
90.9
109
166
173
42.1
46.8
53.2
63.2
79.1
22.4
22
31
26.8
42.2
14.3
11.2
15.2
15.5
22
5.23
6.86
7.83
9.87
9.84
0.80
1.16
1.88
2.79
4.77
422
494
494
680
769
202
270
305
270
422
134
188
180
204
230
115
117
118
118
165
67
74
74
103
103
43
59
59
59
67
9
11
18
25
37
0.64
1.07
1.38
2.13
R/l, мОм/см
Максимальный
ток, А, при
доп. разогреве
10°C
25°C
40°C
Средняя Площадь
длина,
поверх.,
см/вит.
см2
0.32
Диаметр провода, мм
341
399
399
550
621
63
217
245
217
341
107
151
145
164
186
92
94
95
95
133
53
59
59
82
82
34
47
47
47
53
6
8
14
20
29
0.90
1.52
1.97
1.34
0.404
271
317
317
437
494
129
172
195
172
271
85
119
114
129
147
72
74
74
74
105
41
46
46
64
64
26
37
37
37
41
4
5
10
15
22
1.29
2.17
2.81
0.842
0.511
216
254
254
350
395
102
137
155
137
216
67
95
91
103
117
57
58
59
59
83
32
36
36
51
51
20
28
28
28
32
2
3
7
11
17
1.83
3.09
4.00
0.53
0.643
171
201
201
278
315
81
108
123
108
171
52
75
71
81
92
44
45
46
46
65
25
28
28
39
39
15
22
22
22
25
1
2
5
7
12
2.62
4.41
5.70
0.33
0.813
153
179
179
248
281
72
96
109
96
153
46
66
63
72
82
39
40
40
40
58
21
24
24
35
35
13
19
19
19
21
1
4
6
11
3.12
5.26
6.81
0.264
0.912
1.15
4.45
7.50
9.70
0.166
131
160
160
221
250
63
86
97
86
131
41
59
56
64
73
34
35
36
36
51
19
21
21
30
30
11
16
16
16
19
3
5
9
121
142
142
197
223
56
76
86
76
121
36
52
49
56
64
30
31
31
31
45
16
18
18
27
27
9
14
14
14
16
2
4
7
Число витков
3.72
6.27
8.11
0.21
1.02
108
136
136
176
199
50
67
76
67
108
32
46
44
50
57
26
27
27
27
40
14
16
16
23
23
7
12
12
12
14
1
3
6
5.33
8.97
11.60
0.132
1.29
Намотка в один слой
Таблица 3. Зависимость числа витков от диаметра провода при однослойной намотке
1.45
96
113
113
156
177
44
60
68
60
96
28
40
34
44
50
23
24
24
24
35
12
14
14
20
20
6
10
10
10
12
2
5
6.35
10.70
13.80
0.104
1.63
85
100
100
139
158
38
53
60
53
85
24
35
38
39
44
20
21
21
21
31
10
12
12
17
17
5
8
8
8
10
1
4
7.60
12.80
16.80
0.0828
1.83
75
88
88
123
139
34
46
53
46
75
21
31
29
34
39
17
18
18
18
27
8
10
10
15
15
4
7
7
7
8
1
3
9.03
15.20
19.70
0.0651
2.05
66
78
78
109
124
29
41
46
41
66
18
27
26
30
34
15
15
15
15
23
7
8
8
13
13
3
6
6
6
7
2
10.60
18.20
23.50
0.0521
2.30
58
69
69
97
110
26
36
41
36
58
16
24
22
26
30
13
13
13
13
20
6
7
7
11
11
2
4
4
4
6
1
12.90
21.70
28.10
0.0413
2.60
52
61
61
86
98
22
31
36
31
52
13
20
19
23
26
11
11
11
11
17
4
5
5
7
7
1
3
3
3
4
1
3.55
4.79
6.1
7.88
15.7
1.42
1.45
1.74
2.63
2.75
0.669
0.744
0.846
1.01
1.26
0.356
0.35
0.492
0.427
0.671
0.228
0.178
0.241
0.246
0.35
0.083
0.109
0.125
0.157
0.156
0.013
0.016
0.030
0.044
0.060
10°C
10.6
14.3
18.2
23.6
46.9
4.25
4.33
5.21
7.68
8.23
2
2.23
2.53
3.01
3.76
1.07
1.05
1.47
1.28
2.01
0.681
0.533
0.722
0.736
1.05
0.249
0.326
0.373
0.47
0.468
0.038
0.055
0.089
0.133
0.180
25°C
18.7
25.2
32.1
41.5
82.5
7.47
7.61
9.16
13.9
14.5
3.52
3.92
4.45
5.29
6.16
1.88
1.85
2.59
2.25
3.53
1.2
0.936
1.27
1.3
1.84
0.437
0.574
0.659
0.826
0.824
0.067
0.097
0.157
0.233
0.316
40°C
0.0328 Общая рассеиваемая
мощность, Вт, при
15.40
температуре
26.00
33.60
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
CHIP NEWS УКРАИНА
www.chipnews.com.ua
68
8
6
20
32
59
73
128
158
192
110
687
1266
1605
1256
2192
2770
2192
5277
7104
13300
17200
13
16
30
48
90
112
196
241
293
168
1050
1933
2453
1933
3348
4230
3348
7981
10800
20300
26200
0.80
1.16
1.88
2.79
3.77
5.23
6.86
9.84
11.2
13.3
42.2
63.2
79.1
89.2
90.9
109
166
173
301
496
986
0.80
0.96
1.19
1.44
1.53
1.84
2.01
2.48
2.47
3.15
4.95
5.89
6.58
7.54
6.5
6.93
10.4
7.95
11.1
13.7
23.1
T16
T20
T25
T30
T37
Т44
T50
T60
T68
T72
T132
T157
T175
T184
T200
T225
T250
T300
T400
T520
T650
Средняя Плщадь
длина поверх.,
см/вит.
см2
1.34
2.13
Уд. сопротивление, мОм/см
Тип
0.404
0.32
Диаметр провода, мм
10900
1760
1393
3322
4515
8461
437
805
1021
805
1393
46
81
100
122
69
5
4
12
20
37
0.842
0.511
7057
1137
900
2146
2916
5465
282
520
659
520
933
30
52
65
78
45
3
2
8
13
24
0.53
0.643
4477
721
571
1361
1850
3467
179
329
418
329
571
19
33
41
50
28
2
2
5
8
15
0.33
0.813
3581
577
456
1089
1480
2773
143
263
334
263
456
15
26
33
40
22
1
1
4
6
12
2861
461
365
870
1162
2261
114
210
267
210
365
12
21
26
32
18
1
1
3
5
9
0.264 0.21
0.912 1.02
1.29
2280
367
290
693
942
1765
91
168
213
168
290
9
17
21
25
14
1
1
2
4
7
1824
294
232
554
754
1413
73
134
170
134
232
7
13
16
20
11
1
2
3
6
1.63
1.83
2.05
1458
235
186
443
602
1129
58
107
136
107
186
6
10
13
16
9
1
2
5
1159
186
148
352
479
898
46
85
108
85
148
5
8
10
13
7
1
2
4
914
147
116
278
376
708
36
67
85
67
116
3
6
8
10
5
1
1
3
729
117
93
221
301
564
29
53
68
53
93
3
5
6
8
4
1
2
0.104 0.0828 0.0651 0.0521
1.45
Число витков
0.166 0.132
1.15
«Полная» намотка (заполнение внутреннего диаметра 55%)
Таблица 4. Зависимость числа витков от диаметра провода при многослойной намотке
82.5
46.9
463
581
9.16
139
14.5
25.2
41.5
5.21
7.68
8.23
14.3
23.6
74
59
140
191
358
93
74
176
240
450
2980
720
650
1170
1530
2420
5170
1260
1120
2030
2650
4180
460
700
830
730
1050
6850
1670
1490
2690
3510
5550
15.7
1.74
2.63
2.75
4.79
7.88
610 0.671
930 1.01
1110 1.26
970 1.42
1400 1.45
0.083
0.109
0.156
0.178
0.212
3.53
5.29
6.16
7.47
7.61
260
400
480
420
510
110
160
200
230
170
2.01
3.01
3.76
4.25
4.33
18
34
43
34
59
23
42
54
42
74
87
120
150
170
130
0.013
0.016
0.030
0.044
0.060
Во многих устройствах переменная
составляющая тока, протекающего че
рез дроссель, достаточно мала, чтобы
вызвать заметные потери, однако в слу
чаях, когда пульсации имеют высокую
частоту повторения, при разработке
дросселей корректоров коэффициента
мощности и высоковольтных устройств,
потери должны приниматься во внима
ние. Конструкции дросселей сетевых
(50/60 Гц) фильтров дифференциальных
помех и преобразователей напряжения
резонансного типа в значительной сте
пени определяются уровнем потерь в
сердечнике.
50
73
87
100
75
23
29
45
62
96
25°C 40°C
0.437
0.574
0.824
0.936
1.11
2
3
4
5
3
2
4
5
6
3
17
21
34
47
72
10
12
19
27
42
40°C 10°C
0.249
0.326
0.468
0.533
0.634
1
1
2
25°C
10°C
Общая
рассеиваемая
мощность, Вт,
при температуре
нагрева
0.067
0.097
0.157
0.233
0.316
0.0328
0.0413
Ампер9витки
при температуре
нагрева из9за
потерь в обмотке
.
0.038
0.055
0.089
0.133
0.180
2.6
2.3
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
CHIP NEWS УКРАИНА
ПОТЕРИ В СЕРДЕЧНИКЕ
озникают вследствие переменного
магнитного поля в сердечнике. Поте
ри для конкретного материала зависят от
рабочей частоты, размаха магнитной ин
дукции (ΔB), и пропорциональны площа
ди петли гистерезиса. Они имеют три со
ставляющих: потери на перемагничива
ние (гистерезис), вихревые токи и оста
точные потери.
Распыленное железо имеет более
высокие потери по сравнению с другими
материалами с высокой индукцией насы
щения (Мопермаллой, альсифер), что
может ограничить его применение при
относительно большом токе пульсаций
на высоких частотах. Следовательно,
важно уметь правильно определять ре
альные потери в сердечнике.
Семейство кривых, характеризую
щих потери для материала 52, показа
ны на рис. 3, в виде зависимости мощ
ности рассеяния (мВт/см3) от амплитуды
размаха магнитной индукции (гаусс). Ин
формация получена эксперименталь
ным путем при помощи ваттметра фир
мы ClarkeHesse.
Для описания амплитуды магнитной
индукции используется следующая фор
мула:
В
,
где Bpk – амплитудное значение магнит
ной индукции (гаусс), ERMS – действую
щее значение напряжения (Вольт), A –
площадь эффективного сечения сер
дечника (см2), N – число витков, f – час
тота (Герц).
Эта формула применима для вычис
ления амплитудного значения индукции,
www.chipnews.com.ua
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Рисунок 4
Магнитная индукция, возникающая
в сердечнике
из которого определяется уровень по
терь по рис. 3, при синусоидальной фор
ме тока в обмотке. При этом в сердечни
ке возникает магнитная индукция, размах
которой (ΔB) вдвое превышает получен
ное по формуле амплитудное значение
(Bpk) (см. рис 4).
Подмагничивание сердечника посто
янным током сдвигает частную петлю гис
терезиса, но не вызывает заметных допол
нительных потерь в сердечнике. Потери
зависят только от размаха переменной
магнитной индукции (ΔB) (см. рис 5).
На рисунке 6 изображена типичная
форма прямоугольного сигнала, воздей
ствующего на дроссель в импульсном ис
точнике питания:
Так как произведения E * t (вольтсе
кунд) во время включенного и выклю
ченного полупериодов должны быть
равны при неизменной скважности,
размах индукции ΔB для прямоугольно
го сигнала (не обязательно симметрич
ного) описывается следующей форму
лой в системе СГС:
Рисунок 5
Магнитная индукция, возникающая
в сердечнике
кции амплитудного значения магнитной
индукции при симметричной форме сиг
нала, приведенные кривые потерь под
разумевают амплитудное значение ин
дукции Bpk , равное половине размаха
ΔB. Частота пульсаций, соответственно,
равна 1/tp (рис. 6).
В большинстве случаев для расчета
амплитудного значения индукции в дрос
селе с постоянным током подмагничива
ния используются следующие формулы:
,
где Bpk = ΔB/2 = амплитуда переменной
индукции (гаусс), Epk = амплитуда напря
жения на дросселе (Вольт) за время t, t =
продолжительность замкнутого состояния
ключа (сек), A = эффективная площадь се
чения сердечника (см2), N = число витков.
Для расчетов дросселей со связанны
ми обмотками используются те же фор
мулы при допущении, что дроссель име
ет одну обмотку, так как все обмотки ра
ботают согласованно и значения вольт
секунд на виток для них одинаковы.
В некоторых применениях, например,
корректорах коэффициента мощности,
форма сигнала не является симметрич
ной, так как соотношение времени вклю
ченного и выключенного состояния клю
ча непрерывно меняется в течение пери
ода основной частоты (50 или 60 Гц). В
этом случае потери в сердечнике опре
деляются как усредненные во времени
потери от каждого воздействующего им
пульса. Возбуждаемая магнитная индук
Таблица 5. Рассеиваемая мощность
(мВт/см3) при допустимом перегреве
Кольцо
10 C°
25 C°
40 C°
T30
T50
T80
T94
T130
T200
T400
400
307
212
160
117
87
43
1148
874
602
454
331
260
130
2026
1535
1056
802
582
436
228
,
где ΔB – размах индукции (гаусс), Epk –
амплитуда напряжения на дросселе
(Вольт) за время t, t – продолжительность
замкнутого состояния ключа (сек), A – эф
фективная площадь сечения сердечника
(см2), N – число витков.
В однополярных применениях, на
пример, обратноходовых источниках пи
тания, приведенные выше формулы сле
дует использовать для проверки превы
шения допустимого для сердечника раз
маха индукции.
В связи с тем, что на практике приня
то описание потерь сердечника как фун
Рисунок 6
Chip News Украина, #7 (47), сентябрь, 2005
Типичная форма напряжения на дросселе
в импульсном преобразователе
69
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Рисунок 7
Соотношение ампер9витков, накапливаемой энергии и степени насыщения для материала 952
ция пропорциональна произведению E *
t, в то время как потери в сердечнике при
близительно пропорциональны квадра
ту индукции. Для оценки потерь на высо
ких частотах в подобных устройствах ре
70
CHIP NEWS УКРАИНА
комендуется использовать предыдущую
формулу, в которую подставляется ус
редненное действующее значение на
пряжения за период рабочей частоты
корректора (1/tp).
Помимо рабочей частоты, основ
ная частота (50 или 60 Гц) также вызы
вает потери в сердечнике, которые сле
дует учитывать при определении сово
купных потерь.
www.chipnews.com.ua
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Рисунок 8
Так как теплоотдача кольца пропор
циональна площади поверхности, т.е.
находится в квадратичной зависимости
от линейных размеров, а выделение теп
ла пропорционально объему (кубичес
кая зависимость), следовательно, ма
ленькие кольца лучше рассеивают теп
ло по сравнению с кольцами больших
размеров. В таблице 5 приведена зави
симость рассеиваемой мощности от до
пустимого нагрева для разных типораз
меров колец. Кольцо Т30 имеет наруж
ный диаметр 0.30 дюйма; кольцо Т400
соответственно 4 дюйма.
Chip News Украина, #7 (47), сентябрь, 2005
ДРОССЕЛИ С ПОСТОЯННЫМ
ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ
П
оскольку постоянный ток в обмотке
не вызывает потерь в сердечнике,
в большинстве случаев основными кри
териями, определяющими работу дрос
71
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Рисунок 9
Структурная схема ИВЭП с тремя выходными напряжения
селей с постоянным током подмагничи
вания при малых напряжениях и часто
тах до 50 кГц, становятся насыщение
сердечника и потери в обмотке. Приве
денные на рис. 7 кривые получены из
потерь в обмотке и характеристик на
сыщения материала постоянным током
с уровнем пульсаций до 1%, при кото
ром влиянием переменной составляю
щей можно пренебречь.
На рис. 7 изображены два семейства
кривых. В верхней части показаны зави
симости накапливаемой энергии как фун
кции произведения ампервитков для
материала 52. Графики в нижней части
показывают зависимость накапливае
мой энергии от степени насыщения (сте
пень насыщения = 100% – % от началь
ной проницаемости).
Понятие «степень насыщения» зача
стую вызывает вопросы. Например, если
проницаемость сердечника составляет
90% от начальной (индуктивность дрос
селя равна 90% от минимального значе
ния без нагрузки), то сердечник насыщен
на 10%. Аналогично, проницаемость на
сыщенного на 30% сердечника составит
70% от начальной величины.
Использование обоих семейств кривых
позволит без труда определить требуемое
количество витков для заданного объема
накапливаемой энергии и изменение ин
дуктивности дросселя, возникающее как
следствие изменения рабочего тока.
Воспользуемся этими графиками для
определения параметров дросселя, име
ющего индуктивность 30 мкГн при токе
подмагничивания 10 А. При этих услови
ях накапливаемая дросселем энергия со
ставит 1500 мкДж. Из таблицы в верхней
части рисунка 7 следует, что кольцо Т106
способно накопить 1500 мкДж при на
мотке в один слой и допустимом нагре
ве 25 C°. Кривая для кольца Т106 пока
72
CHIP NEWS УКРАИНА
зывает, что для этого потребуется око
ло 250 ампервитков. Так как величина
тока в обмотке составляет 10 А, число
витков принимаем равным 25. Далее,
кривая в нижней части рисунка показы
вает, что для накопления 1500 мкДж ко
льцо Т106 должно будет работать при
степени насыщения 49%. Это означает,
что при небольшом токе индуктивность
дросселя будет достигать 59 мкГн. Из
таблицы диаметров для однослойной
намотки получаем подходящий диаметр
провода, равный 1.29 мм.
Если рассматривать в качестве мате
риала сердечника смесь 8, с помощью
таблицы на рис. 8 приходим к выводу, что
в этом случае также подходит кольцо
Т106. Для этого потребуется 270 ампер
витков, или 27 витков провода 1.29 мм.
Анализируя семейство кривых для смеси
8, получаем, что кольцо Т1068 будет
функционировать при степени насыще
ния всего 10%. Это означает, что при
малых токах индуктивность дросселя уве
личится всего на 3 мкГн, т.е. смесь 8 име
ет значительно меньшую нелинейность
магнитной проницаемости.
Дроссели со связанными обмотками
обычно используют на выходе преобра
зователей с несколькими выходными на
пряжениями для улучшения характерис
тики регулирования. В этом случае так
же могут быть использованы кривые за
висимости накапливаемой энергии. Ти
пичная ситуация показана на рис. 9.
Для нормальной работы дросселя со
связанными обмотками необходимо, что
Рисунок 10
Эквивалентный
дроссель
бы отношения витков обмоток трансфор
матора и дросселя были одинаковыми:
,
Если рассматривать амепрвитки об
моток N2 и N3 так, как будто они все вклю
чены в N1, то данный дроссель можно
рассматривать как однообмоточный
(см. рис. 10).
,
Поскольку все ампервитки считают
ся включенными в обмотку N1, общая на
капливаемая дросселем энергия опреде
ляется исходя из эквивалентной индуктив
ности обмотки 1 и эффективного тока IX:
,
Полученное количество энергии ис
пользуется для последующего определе
ния требуемого размера Еобразного или
тороидального сердечника. По кривым
накапливаемой энергии определяется
значение ампервитков (N1IX), из которо
го легко вычисляется количество витков
N1. Витки N2 и N3 вычисляются из извест
ных соотношений между обмотками.
В рассмотренных выше примерах
переменная составляющая тока в об
мотке полагалась достаточно малой и
не учитывалась при расчетах. Такой
подход значительно упрощает расчеты,
однако при возрастании рабочей час
тоты следует учитывать все составляю
щие потерь.
(Продолжение следует)
www.chipnews.com.ua