Что такое катушка индуктивности с сердечником. Какие бывают типы сердечников. Как сердечник влияет на параметры катушки. Где применяются катушки с сердечником. Как выбрать оптимальный тип сердечника.
Что такое катушка индуктивности с сердечником
Катушка индуктивности с сердечником представляет собой электронный компонент, состоящий из проводника, намотанного на магнитный сердечник. Сердечник выполняется из ферромагнитного или ферримагнитного материала и служит для усиления магнитного поля катушки.
Основные преимущества использования сердечника в катушке индуктивности:
- Увеличение индуктивности катушки при тех же габаритах
- Повышение добротности катушки
- Уменьшение паразитных связей с другими элементами схемы
- Возможность регулировки индуктивности путем перемещения сердечника
Сердечник концентрирует магнитный поток внутри катушки, что позволяет получить большую индуктивность при меньшем количестве витков. Это дает возможность уменьшить габариты и вес катушки.
Основные типы сердечников для катушек индуктивности
Существует несколько основных типов сердечников, используемых в катушках индуктивности:
Ферритовые сердечники
Ферриты представляют собой керамические материалы, состоящие из оксидов железа и других металлов. Основные преимущества ферритовых сердечников:
- Высокая магнитная проницаемость
- Низкие потери на высоких частотах
- Хорошая температурная стабильность
- Возможность получения сложных форм
Ферритовые сердечники широко применяются в высокочастотных катушках индуктивности, работающих на частотах от сотен кГц до сотен МГц.
Сердечники из магнитодиэлектриков
Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы из ферромагнитного порошка, смешанного с диэлектриком. Основные особенности:
- Относительно низкая магнитная проницаемость
- Высокая стабильность параметров
- Возможность работы при больших токах подмагничивания
- Низкие потери на высоких частотах
Сердечники из магнитодиэлектриков часто используются в силовых дросселях импульсных источников питания.
Влияние сердечника на параметры катушки индуктивности
Введение сердечника оказывает существенное влияние на характеристики катушки индуктивности:
Увеличение индуктивности
При введении сердечника индуктивность катушки возрастает в μэ раз, где μэ — эффективная магнитная проницаемость сердечника. Для ферритовых сердечников μэ может достигать нескольких тысяч.
Изменение добротности
Добротность катушки с сердечником обычно возрастает по сравнению с катушкой без сердечника. Однако на высоких частотах добротность может снижаться из-за потерь в сердечнике.
Нелинейность
Катушки с ферромагнитными сердечниками обладают нелинейной зависимостью индуктивности от тока. При больших токах происходит насыщение сердечника и снижение индуктивности.
Области применения катушек индуктивности с сердечником
Катушки индуктивности с сердечником находят широкое применение в различных областях электроники:
Высокочастотная техника
В ВЧ и радиотехнике катушки с ферритовыми сердечниками используются в:
- Контурах настройки
- Фильтрах
- Трансформаторах
- Дросселях
Ферритовые сердечники позволяют получить высокую добротность на частотах до сотен МГц.
Источники питания
В импульсных источниках питания применяются силовые дроссели с сердечниками из:
- Магнитодиэлектриков
- Аморфных и нанокристаллических сплавов
- Пермаллоя
Такие сердечники обеспечивают высокую индуктивность при больших токах подмагничивания.
Как выбрать оптимальный тип сердечника
При выборе типа сердечника для катушки индуктивности необходимо учитывать следующие факторы:
- Рабочую частоту
- Требуемую индуктивность
- Допустимые габариты
- Рабочий ток
- Температурный диапазон
- Стоимость
Для высокочастотных катушек оптимальным выбором обычно являются ферритовые сердечники. Для силовых дросселей лучше подходят сердечники из магнитодиэлектриков или аморфных сплавов.
Правильный выбор материала и конструкции сердечника позволяет получить оптимальные характеристики катушки индуктивности для конкретного применения.
Катушки с сердечниками
В катушках индуктивности широко применяются магнитные и немагнитные сердечники. Конструкции катушек обычно предусматривают возможность продольного перемещения сердечника относительно катушки. Это достигается нарезанием резьбы во внутреннем отверстии каркаса катушки, что дает возможность регулировать величину индуктивности и позволяет проводить настройку РЭА.
Сердечники из немагнитных материалов
Поэтому для уменьшения влияния
немагнитного сердечника на добротность
катушки необходимо изготавливать
сердечник из материалов с хорошей
проводимостью – меди или латуни.Сердечники из магнитных материаловприменяются для уменьшения числа витков и габаритов катушек при заданной ее индуктивности, а также повысить добротность катушки. Однако использование магнитных сердечников снижает стабильность параметров катушек. Кроме того, значение индуктивности и добротности зависят от амплитуды переменного напряжения на катушке и значения постоянного тока, протекающего через обмотку. Для снижения этого эффекта используют броневые сердечники с зазором.
В качестве материала магнитных сердечников используют магнитодиэлектрики и ферриты. Основными материалами для изготовления магнитодиэлектриков служат альсифер и карбонильное железо.
Промышленность
выпускает карбонильное железо трех
классов: класса Р (марки Р-10, Р-20,
Р-100), предназначенного для работы в
радиотехнических цепях, и классаП (марки Пс и ВКЖ), предназначенного для
работы в проводной связи.
Магнитные
сердечники на основе карбонильного
железа имеют невысокое значение начальной
магнитной проницаемости, которое
практически постоянно в широком диапазоне
частот, мало подвержены влиянию
температуры и старению. В обозначении
после названия марки следует число,
раное начальной магнитной проницаемости.
Например,
На основе альсифера изготавливают магнитные сердечники, предназначенные для работы в области радиочастот (тип РЧ), высоких частот (тип ВЧ), низких частот (тип ТЧ). Их особенностью является отрицательный температурный коэффициент магнитной проницаемости, что используется для создания термокомпенсированных сердечников. Обозначение альсиферовых сердечников аналогично карбонильным сердечникам. Например, ВЧ-22– карбонильный сердечник класса ВЧ с начальной магнитной проницаемостью 22.
Магнитные
сердечники на основе ферритов
характеризуются высокой магнитной
проницаемостью и большим удельным
сопротивлением, что снижает потери на
вихревые токи.
По конструкции магнитные сердечники делятся: на замкнутые и незамкнутые.Сердечники с незамкнутым магнитопроводом могут быть цилиндрическими, пластинчатыми, трубчатыми и катушечными.
Цилиндрические карбонильные сердечники бывают трех типов:Р– резьбовые,С– стержневые,
Например,РМ3х5 –
резьбовой сердечник с резьбой М3 длиной
5 мм;С3х10 – стержневой сердечник
диаметром 3 мм и длиной 10 мм;Т9,3х3,2х10– трубчатый сердечник с внешним диаметром
9,3мм, с внутренним диаметром 3,2 мм и
длиной 10 мм.Ферритовые сердечники с незамкнутым магнитопроводом выполняются в виде стержней без резьбы или в виде трубок. Их обозначение подобно цилиндрическим карбонильным сердечникам.
Сердечники с незамкнутым магнитопроводом конструктивно изготовляют так, чтобы их можно было перемещать вдоль оси катушки, изменяя, таким образом, ее индуктивность. Для этого сердечники изготавливаются либо с резьбой, либо они вклеиваются в пластмассовые втулки, снабженные резьбой и шлицом. Сердечники ввинчиваются в центральное отверстие каркаса катушки, и после настройки фиксируются восковой мастикой или резиновой нитью.
Сердечники
с замкнутой магнитной цепью изготовляются броневыми(тип Б),чашечными(тип
Ч) и в видетороидальных колец круглого
или прямоугольного сечения(тип К)
(рис.
3.10). Катушки с такими сердечниками
имеют минимальные габариты, максимальную
индуктивность и минимальной поле
рассеивания. Броневые и чашечные
сердечники имеют центральное осевое
отверстие, в которое вкручивается
подстроечный сердечник для регулировки
значения индуктивности в пределах
±15%.
Тороидальные сердечники обозначаются буквой типа и числами, характеризующими размеры сердечника. Например, К15х7х4,8– кольцевой сердечник с наружным диаметром 15 мм, внутренним диаметров 7 мм и высотой 4,8 мм.
Броневые сердечники обозначаются буквой типа и числом, характеризующим округленный до целого наружный диаметр сердечника. Например,
Чашечные сердечники обозначаются буквой типа и условным числом, характеризующим типоразмер сердечника. Например, Ч9 – чашечный сердечник типоразмера 9.
Магнитные
сердечники характеризуются действующей
магнитной проницаемостью, степенью
увеличения добротности катушки при
наличии сердечника, диапазоном рабочих
частот, величиной потерь и стабильностью.
Действующая магнитная проницаемость μДопределяется отношением индуктивности катушки с сердечникомLCк индуктивности той же катушки, но без сердечника L:
(3.24)
Она зависит от начальной магнитной проницаемости материала, частоты, конструкции сердечника, соотношения диаметра катушки и диаметра сердечника, длины катушки и длины сердечника. Для тороидальных сердечников с равномерной намоткой , во всех остальных случаяхи определяется по эмпирическим формулам или графикам [].
При введении сердечника в катушку ее индуктивность увеличивается в μДраз. Однако при этом в ней возникают дополнительные потери, обусловленные сердечником. Поэтому величина добротности катушки возрастает пропорциональнораз.
С ростом
частоты значение μДуменьшается, снижается индуктивность
и добротность катушки.Значение
частоты, при которой добротность катушки
с сердечником становится равной
добротности катушки без сердечника,
называется граничной частотой сердечника.
Число витков катушки с броневым сердечником рассчитывается по выражению
, (3.25)
где L– требуемая индуктивность катушки;
m — коэффициент, определяемый типоразмером и материалом броневого сердечника.
Для броневых карбоксильных сердечников некоторых типоразмеров значения коэффициента приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Значения коэффициента m для броневых карбонильных сердечников
Тип сердечника | СБ-9а | СБ-12а | СБ-23-11а | СБ-23-17а | СБ-28а | СБ-34а |
m | 7,1 | 6,7 | 4 | 4,5 | 4,3 | 4,4 |
7.
Влияние сердечника на параметры катушек индуктивности.Введение магнитного сердечника увеличивает индуктивность КИ. Это равносильно тому, что КИ при заданной индуктивности имеют меньшее число витков, малую длину провода, небольшие размеры. Дополнительным их преимуществом является возможность подстройки величины индуктивности в небольших пределах путем перемещения специального сердечника.
8. Влияние экрана на параметры катушек индуктивности.
Наличие экрана приводит к изменению основных свойств катушек индуктивности: уменьшается индуктивность, увеличивается сопротивление и собственная емкость, уменьшается добротность. Степень изменения параметров катушки зависит от соотношения размеров катушки и экрана.
9. Особенности конструирования высокодобротных катушек.
С
увеличением частоты потери возрастают,
проницаемость падает, что приводит к
уменьшению добротности. Потери, вносимые
сердечником в катушку, состоят из потерь
на гистерезис, частотных и диэлектрических
потерь.
Приближенно можно считать, что
добротность КИ с сердечником в раз
больше добротности катушки с той же индуктивностью,
но без сердечника
Тороидальные сердечники позволяют получать высокодобротные катушки с Q= 400-500. Их основные недостатки — сложность намотки и невозможность подстройки
10. Особенности конструирования высокостабильных катушек.
Для высокостабильных КИ применяются специальные способы намотки: тугая, горячая и осажденная. Тугая намотка производится со значительным натяжением. При горячей намотке провод нагревается до 120…180°С и незначительно натягивается. В КИ с осажденной обмоткой витки образуются нанесением слоя металла на поверхность керамического каркаса методом вжигания и последующего гальванического наращивания.
11. Зависимость параметров катушек от частоты.
С
повышением частоты возрастают потери
в катушках индуктивности, обусловленные
поверхностным эффектом, излучением
энергии, токами смещения в изоляции
обмотки и каркасе, вихревыми токами в
сердечнике.
Поэтому действующее активное
сопротивление R катушки может заметно
превышать её сопротивление RL,
измеренное омметром. От частоты f зависит
и добротность катушки: Q = 2πfL/R.
Что показывают расчёты нашей лабораторной работы:
рис1 рис2 рис3
Где 1- частота 18 МГц
2- частота 35 МГц
Рис 1 Сопротивление потерь
Рис 2 Индуктивность
Рис 3 Добротность
СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ НА ОБРАЗЦЫ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Образец | № 4 |
Обмотка | С шагом |
Сердечник | Нет |
Экран | Алюмин. |
Число витков | 7 |
Диаметр, см | 0,6 |
Длина, см | — |
Шаг намотки, мм | 1 |
Диам, провода, мм | 0,4 |
Частота измерения, МГц | 18,22,26,30,34 |
Таблица 1 – Результаты измерений и расчетов
f, МГц
Q
C, пФ
Со,пФ
L, мкГ
R, Ом
18
58
403.
51.525
0.19
0.37
35
86
105.6
1.525
0.19
0.48
5Порядок расчета характеристик катушек индуктивности
Рассчитать значение собственной емкости катушки по формуле:
,
=1,525 пФ
где — значения частот из таблицы, — соответствующие им значения емкости измерительного конденсатора.
Результаты расчетов занести в таблицу 1.
Рассчитать значения индуктивности катушки на использованных частотах, применяя формулу:
,
=0,19 мкГ
=0.
19
мкГ
где С – значения емкости измерительного конденсатора из таблицы.
Результаты расчетов занести в таблицу 1.
Рассчитать сопротивление потерь на всех частотах:
Ом
0,48 Ом
где Q — значения добротности из таблицы.
Результаты расчетов занести в таблицу 1.
Выводы: В ходе лабораторной работы я изучил характеристики и эксплуатационные особенности Катушек Индуктивности (КИ), освоил практические методики расчёта параметров индуктивности.
Так же наблюдал отношение сопротивления, и добротности от частоты
При повышении частоты, повышается так же сопротивление потерь, а так же повышается добротность КИ, подробнее описал в 11 контрольном вопросе
Типы индукторов и сердечников, использование и применение
Катушки индуктивности, устройства, которые передают и измеряют ток в зависимости от величины приложенного напряжения, по существу представляют собой электромагниты, накапливающие и высвобождающие электрический ток.
При подаче тока катушка индуктора накапливает ток для создания магнитного поля. В конце концов, катушка создает поле, и ток проходит через катушку до тех пор, пока магнитное поле не исчезнет, и процесс должен начаться снова. Катушки индуктивности обычно используются в радиочастотных приложениях для передачи тока и сведения к минимуму обратной связи и помех, а также могут использоваться в цепях для ограничения электрического потока.
Подробнее о функции катушек индуктивности можно прочитать на HyperPhysics.
Чтобы найти поставщиков индукторов, нажмите здесь.
Типы катушек индуктивности
Тип ферритового индуктораИзображение предоставлено Shutterstock/Jurgis Mankauskas
Как и многие электрические устройства, существуют разные модели для конкретных приложений. Связанные, многослойные, формованные индукторы и индукторы с керамическим сердечником — все это распространенные типы, используемые в коммерческих и промышленных приложениях.
Видео ниже дает краткий обзор этих типов катушек индуктивности:
Связанные катушки индуктивности
Связанные индукторы обладают магнитным потоком, который зависит от других проводников, с которыми они связаны. Когда необходима взаимная индуктивность, часто используются связанные катушки индуктивности. Трансформатор представляет собой разновидность связанной катушки индуктивности.
Многослойные катушки индуктивности
Катушка индуктивности этого типа состоит из многослойной катушки, намотанной несколько раз вокруг сердечника. В результате наличия нескольких слоев и изоляции между ними многослойные катушки индуктивности имеют высокий уровень индуктивности.
Катушки индуктивности с керамическим сердечником
Несмотря на то, что существует множество типов сердечников, индуктор с керамическим сердечником уникален тем, что имеет диэлектрический керамический сердечник, что означает, что он не может накапливать много энергии, но имеет очень низкие искажения и гистерезис.
Литые индукторы
Эти катушки индуктивности отлиты с пластиковой или керамической изоляцией. Часто используемые в печатных платах, они могут иметь цилиндрическую или стержневую форму с обмотками с выводами на каждом конце.
Типы сердечников
Помимо катушек индуктивности с керамическим сердечником, для достижения определенных результатов можно использовать другие материалы сердечника. Поскольку сердечник представляет собой материал, вокруг которого наматывается катушка, он напрямую влияет на индуктивность. Катушки, намотанные на сердечники из железа, имеют большую индуктивность, чем катушки, намотанные на сердечники без железа.
Воздушное ядро
В этой конфигурации просто нет ядра. Отсутствие металлического сердечника приводит к очень небольшим искажениям, но в то же время катушка должна быть очень длинной, чтобы нести большую индуктивность, что приводит к большой катушке индуктивности.
Катушка индуктивности со стальным сердечником
Для приложений с низким сопротивлением и высокой индуктивностью стальные сердечники на шаг впереди воздушных сердечников.
Чем плотнее стальной сердечник, тем меньше проблем с магнитным насыщением будет у сердечника.
Твердые ферритовые сердечники
Когда речь идет о самом высоком сопротивлении, твердотельные ферритовые сердечники находятся в верхней части списка. Однако при работе с высокой индуктивностью они не всегда надежны и имеют тенденцию относительно быстро достигать уровня своего магнитного насыщения. В ферритовых сердечниках будет использоваться другой ферритовый материал в зависимости от применения, например, марганцево-цинковый материал для определенных типов антенных стержней, при этом различные материалы предлагают разный набор преимуществ. Доступны порошковые ферритовые сердечники, которые более плотные и обеспечивают большую линейность, чем твердые ферритовые сердечники.
Ленточные сердечники
Изготовленные из магнитомягких материалов, таких как высокопроницаемое железо, никель-железо или кремний-железо, ленточные сердечники изготавливаются в виде тонких полос толщиной 0,0005–0,004 дюйма и весом от 0,002 до 4000 фунтов.
Сердечники этого типа применяются в высокочастотных трансформаторах, сильноточных фильтрах и инжекциях тока.
Катушки индуктивности в цепях и предотвращение отдачи
Поскольку катушки индуктивности не поддерживают постоянный уровень напряжения между клеммами, невозможно внезапно остановить ток. Если ток протекает через замкнутую цепь переключателя, индуктор позволит току течь и создать электромагнитное поле. Если затем переключатель цепи будет разомкнут, индуктор продолжит свои попытки передать ток, и при этом один из выводов индуктора может переключать заряды с отрицательного на положительный. В конечном итоге это приведет к перегрузке клеммного контакта. Если контакт перегружен, переключатель будет испытывать помехи и повреждения, что приведет к сокращению срока службы. Такого рода проблемы можно избежать, просто используя диод, хотя для высокоскоростных приложений может быть предпочтительнее резистор.
Если вы хотите найти поставщиков индукторов, нажмите здесь.
Другие товары для двигателей
- Типы контроллеров двигателей и приводов
- Паровые турбины
- Керамические пьезоэлектрические двигатели: точность и роботы
- Катушки индуктивности
- Типы двигателей постоянного тока Двигатели переменного тока
- и двигатели постоянного тока — в чем разница?
- Все об асинхронных двигателях — что это такое и как они работают
- Типы двигателей переменного тока
- Все о синхронных двигателях — что это такое и как они работают
- Понимание двигателей Однофазные промышленные двигатели
- — как они работают?
- Что такое двигатель с короткозамкнутым ротором и как он работает?
- Что такое двигатель с фазным ротором и как он работает?
- Все о реактивных двигателях — что это такое и как они работают
- Все о бесщеточных двигателях постоянного тока — что это такое и как они работают
- Все о двигателях с постоянными магнитами — что это такое и как они работают
- Все о двигателях постоянного тока с обмоткой серии — что это такое и как они работают
- Все о шунтирующих двигателях постоянного тока — что это такое и как они работают
- Все о шаговых двигателях — что это такое и как они работают Шаговые двигатели
- и серводвигатели — в чем разница?
Прочие «Типы» изделий
- Аэрокосмический крепеж: типы и материалы
- Типы защелок
- Типы труб из нержавеющей стали
- Типы медицинской упаковки — Руководство для покупателей ThomasNet
- Типы контроллеров двигателей и приводов
- Типы ЧПУ
- Типы порошковых покрытий
- Типы фенолов и фенольных материалов — Руководство для покупателей ThomasNet
- Типы операций высечки
- Типы сверл с ЧПУ
- Типы мультиплексоров
- Типы кримперов — Руководство для покупателей ThomasNet
- Типы датчиков температуры
- Типы розеток
- Три типа медицинских покрытий
- Типы пружин — Руководство по покупке Томаса
- Типы защитных перчаток
- Типы ограждений — Руководство для покупателей ThomasNet
- Типы уплотнительного оборудования — руководство по покупке Томаса
- Прототипы в электронике, компьютерном программном обеспечении и вычислительной технике
Еще от Автоматизация и электроника
Материал сердечника индуктора: сердце индуктора
Индукторы обманчиво просты.
Однако при ближайшем рассмотрении обнаруживается скрытая сложность. Как еще вы можете объяснить множество типов материалов сердечника, типов обмоток, размеров, геометрии и широкого спектра применений? В этой статье будут рассмотрены три примера многочисленных типов материалов: кремнистая сталь, порошок мягкого железа и ферриты. Мы также сосредоточимся на понимании свойств материала сердечника индуктора — сердцевины индуктора.
Что такое магнитный сердечник?
Магнитопровод индуктора изготовлен из материала специальной формы с «мягкими» магнитными свойствами. Несмотря на то, что физически жесткий, магнитный сердечник считается «мягким», если он не сохраняет значительного магнетизма. Магнитный сердечник обычно окружен тщательно уложенными обмотками из проволоки. Комбинация магнитного сердечника и обмоток приводит к измеримому свойству, называемому индуктивностью. Существуют различные типы «мягких» магнитных материалов, а также различные типы и формы магнитных сердечников.
Магнитопроводы плюс их обмотки можно рассматривать как миниатюрные электромагниты.
Существует множество возможных геометрий сердечника катушки индуктивности. Геометрия сердечника зависит от различных факторов, в том числе от применения; доступная монтажная площадь и объем; допустимая радиация; ограничения по обмоткам; рабочая температура; и как индуктор будет установлен. Следовательно, геометрическая форма сердечника может принимать форму цилиндра, катушки, тороида или некоторых других сложных форм.
Кроме того, магнитопровод катушки индуктивности не обязательно должен быть цельным. Многокомпонентные сердечники, каждая из которых изготовлена из одного и того же магнитного материала, иногда используются для чрезвычайно сложных форм или больших катушек индуктивности.
Сердечники должны быть сконструированы и обработаны с пониманием того, как будут установлены обмотки. Иногда обмотки наматывают непосредственно вокруг сердечника. В других случаях обмотки могут быть намотаны на втулку, надетую на сердечник.
Обратите внимание, что провод, используемый для обмоток индуктора, обычно изолирован, потому что при плотной намотке соседние витки могут закорачиваться. Однако тонкий утеплитель непрочен. При намотке непосредственно на сердечник магнитный материал не должен подвергать провод с тонкой изоляцией шероховатым поверхностям или острым краям, которые могут прорезать изоляцию. Для размещения прямых обмоток хорошо спроектированный магнитный сердечник должен иметь гладкую поверхность обмотки. Если необходимо, сердцевина обеспечит угловой радиус.
Примеры материалов сердечника для катушек индуктивности включают кремнистую сталь, железный порошок и ферриты. Каждый из этих различных материалов имеет разные свойства при разных частотах, температурах и уровнях мощности. Сердечники могут быть изготовлены литьем, механической обработкой или прессованием. Стоимость материала может стать важным фактором для более крупных и мощных сердечников. Таблица 1 иллюстрирует разнообразие материалов сердечника.
Что делает магнитный сердечник?
Функционально магнитный сердечник катушки индуктивности хранит восстанавливаемую энергию. Разработчики цепей определяют катушки индуктивности, способные принимать и возвращать энергию в заданные интервалы времени. Механически сердечник индуктора поддерживает его обмотки. В магнитном отношении сердечник индуктора обеспечивает среду для концентрации и удержания магнитного потока. Комбинация витков обмотки и объема магнитного материала устанавливает верхний предел максимально допустимого магнитного потока, который может поддерживать сердечник. Плотность потока важна, потому что она связана с энергией. Более высокие плотности потока подразумевают большее количество накопленной энергии. Магнитный поток аналогичен электрическому току в чисто резистивной электрической цепи. Магнитное сопротивление аналогично сопротивлению. Сердечник с низким магнитным сопротивлением может поддерживать относительно высокую плотность потока. Сердечник того же размера с высоким магнитным сопротивлением может поддерживать более низкую плотность потока.
Другой важный параметр ядра называется проницаемостью. Проницаемость обратно пропорциональна нежеланию. Ядро с высоким магнитным сопротивлением имеет низкую проницаемость и наоборот. Проницаемость является важным параметром, поскольку ее можно рассматривать как множитель потока. Для справки, считайте, что множитель потока свободного пространства равен единице (система cgs). Проницаемость ядра всегда зависит от проницаемости свободного пространства. Так, относительная магнитная проницаемость полезных магнитных материалов колеблется от 10 до 10 000. Более практичные значения относительной проницаемости находятся в диапазоне от 100 до 1000.
Индуктор преобразует электрическую энергию в магнитную. Эта магнитная энергия сохраняется в магнитном поле индуктора. Следовательно, энергия, накопленная в один момент времени, может сохраняться в ядре до тех пор, пока она не понадобится позже. Управляя скоростью, с которой энергия сохраняется и удаляется из магнитного поля, разработчики могут реализовать импульсные источники питания.
Например, импульсные источники питания могут работать в диапазоне от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Источники питания с более медленным переключением должны накапливать больше энергии за цикл, чем коммутаторы с более высокой частотой. В результате размер сердечника больше для более низких частот переключения и меньше для более высоких частот переключения.
Для данной конфигурации обмотки и размера сердечника значение индуктивности катушки индуктивности будет выше для сердечника с более высокой магнитной проницаемостью. При одинаковых электрических условиях индуктор с более высоким значением индуктивности может хранить больше энергии, чем индуктор с более низким значением индуктивности. Таблица 2 иллюстрирует несколько приложений, где требуются магнитные сердечники.
Поведение различных материалов сердечника
В этом разделе мы рассмотрим поведение кремнистой стали, железного порошка и ферритовых материалов. Эти магнитомягкие материалы обладают свойствами проницаемости и удельного сопротивления.
Именно несоответствие этих свойств делает различные материалы подходящими для различных дизайнерских приложений. Это еще один способ сказать, что нет «лучшего» материала для всех применений.
Кремнистая сталь относительно недорога и проста в обработке. Кроме того, кремнистая сталь является металлом с низким удельным сопротивлением. Низкое удельное сопротивление сердечника означает, что кремнистая сталь легко проводит электрический ток. В результате в материале сердечника могут протекать нежелательные вихревые токи. Вихревые токи способствуют нагреву и потерям в сердечнике. Кроме того, сердечник из кремнистой стали довольно легко достигает точки насыщения. В насыщенном состоянии ядро не может накапливать дополнительную магнитную энергию. Быстрое насыщение приводит к сокращению рабочего диапазона.
Решением проблемы быстрого насыщения является создание воздушного зазора на пути магнитного потока. Воздушный зазор увеличивает сопротивление пути потока, что приводит к снижению проницаемости и индуктивности.
Следовательно, количество тока, которое может выдержать ядро, увеличивается.
Порошок мягкого железа имеет более высокое удельное сопротивление, чем кремнистая сталь. Благодаря специальной обработке частицы железа изолированы друг от друга. Частицы смешивают со связующим (например, фенольным или эпоксидным). Затем сердцевинам придают окончательную форму. Затем используется процесс запекания для отверждения ядер. После отверждения множество крошечных воздушных зазоров объединяются, чтобы обеспечить эффект распределенного воздушного зазора. Другими словами, воздушный зазор распределен по всему сердечнику. Сердечники из железного порошка нашли широкое применение, когда необходимо учитывать потери в сердечнике.
По сравнению с другими магнитными материалами, такими как ферриты, распределенный воздушный зазор позволяет порошковым сердечникам накапливать более высокие уровни магнитного потока. Распределенный воздушный зазор также обеспечивает более высокие уровни постоянного тока до того, как произойдет насыщение.
Феррит представляет собой кристаллический магнитный материал, изготовленный из оксида железа и других элементов. Смесь обрабатывается при высокой температуре и превращается в кристаллическую молекулярную структуру. В отличие от других, ферриты представляют собой керамические материалы с магнитными свойствами. Ферриты обладают высокой магнитной проницаемостью и высоким удельным электрическим сопротивлением. Следовательно, нежелательные вихревые токи значительно уменьшаются благодаря ферритовым сердечникам. Благодаря высокому удельному сопротивлению ферриты идеально подходят для использования в качестве катушек индуктивности. Например, ферритовые кольца часто используются для уменьшения паразитных колебаний и для общей фильтрации на уровне выводов компонентов. Этот тип широкополосного компонента требует широкополосной низкой добротности, чтобы обеспечить высокий импеданс в широком диапазоне частот. В таблице 3 приведены некоторые важные свойства этих магнитных сердечников.
Магнитные домены или почему материалы разные
Различные материалы имеют разные магнитные характеристики. Интуитивно понятно, что должен быть какой-то лежащий в основе механизм, отличающийся для разных материалов. Ответ можно найти в том, что мы называем «магнитными доменами». Магнитные домены — это гораздо больше, чем модель простых стержневых магнитов, которые либо выровнены, либо не выровнены. Хотя модель стержневого магнита полезна на макроуровне, она неадекватна на микроуровне. Магнитный домен представляет собой объемное пространство внутри материала. Этот объем обладает определенными элементарными свойствами. Однако внутри одного магнитного сердечника имеется множество магнитных доменов разного размера и формы. Кроме того, различиям способствуют примеси и дефекты материала.
Требуется работа, чтобы изменить энергетическое состояние каждого (различного) домена. Поскольку домены имеют разные формы и размеры, для разных доменов требуется разный объем работы.
Конечно, на макроуровне мы можем игнорировать микросвойства. Однако именно эти свойства определяют особые характеристики каждого материала. Таким образом, мы можем понять, почему практически невозможно обеспечить два ядра с одинаковыми характеристиками.
Рассмотрим магнитный поток, действующий на магнитные домены и внутри них. Магнитные домены расширяются и сжимаются, как пузыри. Магнитные домены сливаются и извиваются, как реки. Иногда домены текут по заданным каналам, а иногда распространяются, как при наводнении. Размеры различных доменов, близость других доменов и различные топологические соображения обеспечивают отсутствие единообразия. Неудивительно, что разные магнитные материалы имеют разные характеристики.
Основные материалы
| Воздух |
| Сплавы |
| Аморфный |
| Железный порошок |
| Марганцево-цинковый феррит |
| Порошок пермаллой молибдена |
| Никель-цинковый феррит |
| Сендаст |
| Кремниевая сталь |
