Ферритовый сердечник что это такое

Ферриты — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Феррит.

Ферри́ты (оксифе́ры) — соединения оксида железа Fe₂O₃ с более осно́вными оксидами других металлов, являющиеся ферримагнетиками^[1]. Широко применяются в качестве магнитных материалов в радиоэлектронике, радиотехнике и вычислительной технике, поскольку сочетают высокую магнитную восприимчивость с полупроводниковыми или диэлектрическими свойствами.

Ферриты-шпинели[править | править код]

Ферриты со структурой шпинели кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Fd3m, Z = 8. Их общая формула MeFe₂O₄ , где Me — двухвалентный металл: никель, кобальт, марганец, магний, медь, железо, цинк, кадмий^[2].

Ферриты-гранаты[править | править код]

Ферриты со структурой граната кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Ia3d, Z = 8. Общая формула: Me₃Fe₅O₁₂, где Me — тяжёлый редкоземельный элемент (от самария до лютеция) или иттрий. Примером широко используемого феррита из этого класса является иттрий-железный гранат Y₃Fe₅O₁₂^[2].

Гексаферриты[править | править код]

Ферриты с гексагональной решёткой (гексаферриты) имеют кристаллическую структуру типа магнетоплюмбита PbFe₁₂O₁₉ с пространственной группой P6₃/mmc или близкую к ней. В эту группу ферритов входит несколько типов, различающихся общей формулой^[2].

Ортоферриты[править | править код]

Ферриты с ромбической решёткой (ортоферриты) имеют кристаллическую структуру типа искажённой структуры перовскита с пространственной группой Pcmn, Z = 4 и общую формулу MeFeO₃, где Me — редкоземельный элемент. Ортоферриты, в отличие от трёх вышеописанных групп (ферримагнетиков), при нормальной температуре являются антиферромагнетиками и становятся ферримагнетиками лишь при температуре ниже нескольких кельвинов^[2].

Большинство ферритов являются относительно тугоплавкими кристаллическими веществами с достаточно высокой твёрдостью, не растворимыми в воде и органических растворителях. Реагируют с кислотами. При нормальной температуре устойчивы на воздухе, при температурах выше 1000°C могут диссоциировать. На воздухе при таких температурах ферриты, содержащие Fe ²⁺ и Mn²⁺, могут окисляться^[2].

Благодаря сочетанию высоких магнитных свойств и низкой электропроводности ферриты широко применяются в технике высоких частот (более 100 кГц). Ферриты используют в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике, вычислительной технике (ферритовые поглотители электромагнитных волн, антенны, сердечники, элементы памяти, постоянные магниты и т. д.).

Основные способы получения ферритов[править | править код]

Поликристаллические ферриты производят по керамической технологии. Из ферритового порошка, синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компонентов и гранулированного со связкой, прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900 до 1500 °C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. В качестве исходных ферритообразующих компонентов применяются смеси оксидов, гидроксидов, оксалатов и карбонатов (иногда их совместно осаждают из раствора) или совместно упаренные растворы солей (нитраты, сульфаты, двойные сульфаты типа шенитов. Монокристаллы ферритов выращивают зонной плавкой или методами Вернейля или Чохральского, обычно под давлением кислорода в несколько десятков или сотен атмосфер. Для растворимых ферритов используют гидротермальное выращивание в растворах гидроксида или карбоната натрия, хлорида аммония или смеси хлоридов под давлением от 200 до 1200 атмосфер. Монокристаллы некоторых ферритов (при применении в качестве исходных веществ смеси оксидов) выращивают также из растворов в расплаве (смеси PbO + PbF ₂, PbO + B₂O₃, BaO + B₂O₃ или более сложные)^[2].

Для выращивания ферритовых плёнок со структурой шпинели обычно применяют метод химических транспортных реакций с хлороводородом или другими галогеноводородами в качестве носителя, а для плёнок феррит-гранатов и гексаферритов используют метод жидкостной эпитаксии из растворов в расплаве, а также метод разложения паров (в качестве газообразных исходных материалов применяются, например, β-дикетонаты металлов) ^[2].

• Михайлова М., Филиппов В., Муслаков В. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. — М. Радио и связь, 1983.
• Куневич А. В. Ферриты, каталог М., 1991
• Куневич А. В., Подольский А. В. Сидоров И. Н. «Ферриты: Энциклопедический справочник. Магниты и магнитные системы. Том 1» издательство Лик, 2004 г.
• Журавлев Г.И. Химия и технология ферритов — Ленинград: Химия. Ленингр. отд-ние, 1970. — 191 с.
• Смит, Я., Вейн, Х. Ферриты. — Москва: Иностранная литература, 1962. — 504 с.
• Ситидзе, Ю., Сато, Х. Ферриты. — Москва: Мир, 1964. — 407 с.
• Такэи Такэси. Ферриты. — Москва: Металлургия, 1964. — 192 с.

Ферритовый сердечник - что это такое 🚩 для чего нужны ферритовые сердечники 🚩 Разное

Ферритами называют химические соединения железного оксида с окислами других металлов. Состав вещества может изменяться в зависимости от необходимых свойств готового изделия.
Ферритовые сердечники производят по технологии порошкового литья. Смесь порошков, содержащую необходимые компоненты в тщательно выверенных пропорциях, прессуют в заготовку необходимой формы, которую выпекают при температуре до полутора тысяч градусов. Выпекание может производиться как в воздушной среде, так и в специальной газовой атмосфере. На последнем этапе изготовления изделие из феррита медленно остывает в течение нескольких часов. Такая технология не только позволяет производить сплавы с заданными характеристиками, но также выпускать изделия, не нуждающиеся в последующей обработке
Наиболее широко ферритовые сердечники применяются в электро- и радиотехнике. Поскольку феррит обладает высокой магнитопропускной способностью и малой удельной электропроводностью, он незаменим при сборке маломощных трансформаторов, в том числе и импульсных. Также сердечники из феррита применяются в качестве средства пассивной защиты от высокочастотных электрических помех. Такое явление наиболее характерно для коммутирующих сетей устройств управления, где даже в экранированном кабеле могут наводиться помехи, снижающие эффективность передачи сигнала.
Для обмоточных трансформаторов выпускают ферриты П-образной и Ш-образной формы. Стержневая форма ферритовых изделий используется при изготовлении магнитопроводов: к примеру, из феррита выполняют сердечники для катушек высокой индуктивности. Обывателю наиболее часто встречаются ферритовые кольца и цилиндры, которые применяются в качестве фильтров помех на кабелях связи: USB, HDMI, LAN и других. Продвинутая технология позволяет изготавливать очень сложные по строению изделия, размер которых иногда составляет меньше десятой доли миллиметра.
Низкая электропроводность материала позволяет избежать образования вихревых токов при перемагничивании магнитопровода. По этому показателю феррит превосходит даже тонкошихтованную электротехническую сталь. Также ферриту могут быть заданы определенные свойства еще на этапе производства, что позволяет заранее и с высокой точностью адаптировать изделие под нужды определенного устройства, в котором феррит будет задействован. Феррит может активно поглощать, рассеивать или отражать наведенные в кабеле помехи, что особенно актуально в строительстве высокоточных приборов: малый вес и габаритные размеры ферритовых сердечников позволяют применять их без нарушения компоновки оборудования внутри сложных приборов или комплексов.

Ферритовый сердечник - это... Что такое Ферритовый сердечник?



Ферритовый сердечник

        магнитопровод из Феррита. Благодаря очень малой удельной электропроводности ферритов в материале Ф. с. при перемагничивании практически не возникают вихревые токи и, следовательно, отсутствуют потери энергии, что обусловливает возможность использования Ф. с. в радиоэлектронной аппаратуре, работающей в диапазоне радиочастот. Основные области применения Ф. с. – радиотехника, автоматика, телемеханика и вычислительная техника. Технология производства Ф. с. основана на методах порошковой металлургии (См. Порошковая металлургия). Из смеси порошков исходных веществ прессуют сердечники нужной формы. Спекание производят при температуре 850–1500 °С в воздушной среде с последующим медленным (в течение нескольких ч) охлаждением. Магнитные и диэлектрические свойства Ф. с. зависят от состава смеси, процентного содержания исходных компонентов в ней и режима термической обработки, меняя которые можно получать Ф. с. с заданными свойствами, например с высокой начальной магнитной проницаемостью (для использования в высокочастотных и импульсных трансформаторах (См. Импульсный трансформатор)), или с прямоугольной петлей магнитного Гистерезиса (для использования в запоминающих устройствах (См. Запоминающее устройство)).          Методы порошковой металлургии позволяют изготовлять Ф. с. разных форм (П- и Ш-образные; кольцевые, или броневые; сложной конфигурации, с несколькими отверстиями в одной или разных плоскостях и др.) и различных размеров (от нескольких см до десятых долей мм). Наиболее распространены кольцевые Ф. с. с прямоугольной петлей гистерезиса, у которых после намагничивания и снятия намагничивающего поля сколь угодно долго сохраняется одно из двух возможных устойчивых магнитных состояний, соответствующих двум значениям остаточной магнитной индукции (+ Br и – Br). Это свойство Ф с. обусловило их преимущественное использование как элементов памяти в запоминающих устройствах и логических элементах (например, в ферритдиодных ячейках (См. Ферритдиодная ячейка), ферриттранзисторных ячейках (См. Ферриттранзисторная ячейка)). Перемагничивание Ф. с. (его перевод из одного магнитного состояния в другое) производится магнитным полем тока, пропускаемого по обмоткам Ф. с. Время перемагничивания зависит от амплитуды и фронта импульса тока, коэрцитивной силы, прямоугольности петли гистерезиса и от геометрических размеров сердечника; оно лежит в пределах от десятых долей мксек до нескольких мксек. Кольцевые Ф. с. с непрямоугольной петлей гистерезиса применяют главным образом в импульсных трансформаторах и ВЧ дросселях.

         Лит.: Пирогов А. И., Шамаев Ю. М., Магнитные сердечники для устройств автоматики и вычислительной техники, 3 изд., М., 1973; Бардиж В. В., Магнитные элементы цифровых вычислительных машин, 2 изд., М., 1974.

         А. В. Гусев.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

• Ферритовое запоминающее устройство
• Ферриттранзисторная ячейка

Смотреть что такое "Ферритовый сердечник" в других словарях:

• ферритовый сердечник — — [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN ferrite core …   Справочник технического переводчика

• ферритовый сердечник — feritinė šerdis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. ferrite core vok. Ferritkern, m; ferromagnetischer Keramikkern, m rus. ферритовый сердечник, m pranc. noyau de ferrite, m; noyau en ferrite, m …   Fizikos terminų žodynas

• ФЕРРИТОВЫЙ СЕРДЕЧНИК — магнитопровод определ. формы и геом. размеров, выполненный из Феррита методами порошковой металлургии. Наиболее распространены Ф. с. П , Ш образной формы, кольцевые, цилиндрич. стержневые и др. Магн. св ва Ф. с. зависят от св в исходных… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

• ферритовый сердечник (магнитопровод) — — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN ferrite core …   Справочник технического переводчика

• ферритовый сердечник с остаточной намагниченностью — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN latched ferrite core …   Справочник технического переводчика

• магнитострикционный ферритовый сердечник — [ГОСТ 23618 79] Тематики изделия из ферритов и магнитодиэлектриков …   Справочник технического переводчика

• Магнитострикционный ферритовый сердечник — 2. Магнитострикционный ферритовый сердечник Источник: ГОСТ 23618 79: Изделия из ферритов и магнитодиэлектриков. Термины и определения оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ферритовый (магнитодиэлектрический) сердечник — сердечник [ГОСТ 23618 79] Тематики изделия из ферритов и магнитодиэлектриков Синонимы сердечник …   Справочник технического переводчика

• Ферритовый (магнитодиэлектрический) сердечник — ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ 1. Ферритовый (магнитодиэлектрический) сердечник Сердечник Источник: ГОСТ 23618 79: Изделия из ферритов и магнитодиэлектриков. Термины и определения оригинал …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ферритовый — см. феррит; ая, ое. Ф ая структура. Ферри/товый чугун. Ф ая антенна (радио; приёмная антенна в виде провода, намотанного на сердечник из ферромагнитного материала) …   Словарь многих выражений

Ферриты: применение, свойства, проницаемость

Феррит – материал, представляющий собой соединение оксида железа и оксидов ферримагнетиков. Он имеет формулу MFe₂O₄. Это химическое соединение обладает кубической кристаллической решеткой и активно используется в радиоэлектронике, благодаря большому удельному сопротивлению и наличию магнитных свойств.

Основные свойства

Феррит обладает следующими физическими характеристиками:

1. Плотность: 4000 до 5000 кг/м³ (параметр определяется маркой железного сплава).Теплоемкость вещества: до 890 Дж/кг×К.
2. Средний модуль упругости: 5500 МПа.
3. Предел прочности на сжатие равняется 850 МПа, на растяжение – 110 МПа.
4. Коэффициент Пуансона: до 0,4.
5. Модуль Юнга: до 21 000 000 кПа.

Одним из основных физических свойств феррита является высокое электрическое сопротивление и магнитная проницаемость, что обуславливает низкие энергетические потери в высокочастотных зонах. Основным фактором, влияющим на этот параметр, является большая концентрация двухвалентных ионов железа. При повышенном количестве частиц Fe2+ увеличивается проводимость железного сплава и понижается его энергия активации. Высокое содержание двухвалентных ионов железа также приводит к снижению зависимости металла от различных свойств среды и состояния намагниченности.

Выделяют следующие механические свойства феррита:

1. Металлы склеиваются при помощи клея марки БФ-4 и нарезаются инструментами, изготовленными из алмаза.
2. Материал поддается полировке и шлифовке.
3. При больших механических нагрузках (соударениях, вибрациях) появляются дополнительные напряжения в сердечниках, что приводит к возникновению трещин и иных внешних дефектов.

Главными отличительными особенностями феррита являются его магнитные свойства. Они зависят от величины магнитной проницаемости железной модификации и тангенса угла потерь. На эти характеристики оказывают влияние интенсивность резонансных явлений и механические напряжения. Для сохранения магнитных свойств материала нужно ограничить величину физических нагрузок на поверхность металла.

На магнитные свойства феррита воздействуют следующие факторы:

1. Влияния высоких или низких температур: при термообработке железного сплава также могут произойти изменения магнитной проницаемости.
2. Увлажнение металла: на средних и высоких частотах увеличиваются магнитные потери металла, что связано с изменением электропроводности материала. По этой причине рекомендуется герметизировать металл во время работы с влажными поверхностями.
3. Радиационное облучение: воздействие интегральных потоков нейтронов с высокой интенсивностью приводит к изменению электромагнитных характеристик железного сплава.
4. Слияние двух магнитных полей: происходит наложение частот, что повышает вероятность возникновения явления резонанса.

Для большей части железных модификаций характерна нестабильность магнитной проницаемости при длительном хранении металла в теплых или холодных помещениях.
Ферриты являются полупроводниками и диэлектриками. Их электрические свойства зависят от процессов ионного обмена и температурного режима. При высоких температурах возрастает подвижность отрицательных зарядов химического соединения, что приводит к изменению электропроводности и удельного сопротивления феррита.Электрические свойства могут также изменяться при разных концентрациях ионов железа.

В процессе теплового движения частицы Fe2+ оказывают влияние на проводимость материала и энергию активации электропроводности. В результате снижается толщина энергетических барьеров, препятствующих перемещению отрицательных частиц из 1 иона в другой.

На многие параметры феррита влияют условия изготовления. Выделяют следующие способы производства этого материала:

1. При помощи ферритовых порошков: железный сплав изготавливается из специальных химических соединений. Растворы железа осаждают из специальных солей. Полученное вещество смешивают с гидратами щелочей. Смесь сушится и ферритизируется. Этот метод изготовления чаще всего используется в металлургии, что связано с большим эксплуатационным сроком ферритовых порошков.
2. Окисная технология: представляет собой смешение и помол окислов металлов. Главными преимуществами этого способа являются безотходность и экономичность. В этом случае для изготовления феррита необходимо минимальное количество сырья. Во время смешивания окисей металлов в атмосферу не выделяются вредные химические соединения. Недостатком этой технологии является трудность измельчения окислов при получении однородных смесей.
3. Химические методы: предоставляют возможность изготавливать высокочастотные ферриты без применения этанола и иных соединений с высокой воспроизводимостью структурных параметров.
4. Термическое разложение: требуется сернокислые соли, где содержится кристаллизационная вода. В них добавляется небольшое количество H₂O. Полученная смесь разлагается на окислы (их температура составляет не менее 900°С. Преимуществом этого способа является однородность распределения всех компонентов при термообработке.
5. Бездиффузионный(шенитный) способ: для изготовления железных модификаций необходимы ферритные порошки, состоящие из растворов шенита. Для предельной гомогенизации вещества проходят процесс кристаллизации и ферритизации. Стабильность протекания этих процессов обуславливается состоянием поверхностных частиц шенита и доли полиморфных модификаций.

Для производства качественного феррита необходимо соблюдать основные условия изготовления и использовать высокоактивные ферритовые соединения или порошки.

Химический состав

Ферриты являются смесью оксидов железа и иных легирующих металлов, включающих в себя медь, цинк, магний, ниобий, кобальт, никель, литий и марганец. Средняя молярная масса вещества зависит от процентного содержания химических элементов в растворе. Она равняется 152 – 160 г/моль. В зависимости от химического состава и структуры выделяют следующие разновидности феррита:

1. Никель-цинковые: отличаются высоким электрическим сопротивлением и чаще всего используются при высоких диапазонах частот: 500 КГц до 200 МГц.
2. Магний-марганцевые: характеризуются низкой магнитной проницаемостью и чаще всего применяются для работы с частотами звука.
3. Марганцево-цинковые: имеют низкие потери на вихревых токах и располагают высокими показателями диэлектрической проницаемости.
4. Иттриевые: обладают небольшими диэлектрическими потерями. Они устойчивы к ферромагнитному резонансу.
5. Литиевые: располагают высокими показателями намагниченности насыщения и термической стабильности.

Химический состав феррита определяется эксплуатационными характеристиками материала и сферой его применения.

Классификация ферритов

Ферриты подразделяются на 3 основных класса:

1. Железные сплавы с гарантированными потерями и высокой магнитной проницаемостью.
2. Материалы с гистерезисом (зависимости намагниченности от напряжений внешнего поля) в виде прямоугольной петли.
3. Модификации железа с уникальными свойствами.

В зависимости от основных параметров металла были созданы марки ферритов:

• 2000 H: никель-цинковый феррит с магнитной проницаемостью 2000 Гн/м;
• 100 ВНП: железный сплав с магнитной проницаемостью 100 Гн/м, состоящий из никеля, цинка и меди;
• 6000 HM1: материал из магния и цинка, магнитная проницаемость составляет 6000 Гн/м;
• 300 П: железная модификация с магнитной проницаемостью 300 Гн/м, состоящий из магния, марганца и калия.

В соответствии с марками металлов была создана классификация ферритов, демонстрирующая виды применения данной модификации железа:

1. Общепромышленные: отличаются высокой магнитной проницаемостью и применяются при частоте до 25 МГц. При его изготовлении применяют чистый феррит, представляющий собой частицы ферритовой пыли. Используются в большинстве отраслей радиоэлектроники.
2. Термостойкие: металлы с устойчивой магнитной проницаемостью, не изменяющейся при резком перепаде температур. Они используются при производстве антенных и сердечников.
3. Высокопроницаемые: благодаря повышенной магнитной проницаемости, они применяются при низких частотах. Используются при изготовлении комплектующих для статических преобразователей.

Отдельные марки ферритов могут применяться для производства определенной аппаратуры. В ионных аккумуляторах может использоваться только феррит цинка, являющийся магнитомягким металлом. Для магнитных головок изготавливают железные сплавы на основе никель-цинковых материалов. При сборке датчиков и специальных детекторов используют ферриты с высокой термочувствительностью. Ферриты, способные работать при импульсном намагничивании, используются во время производства трансформаторов. Модификации железа, имеющие низкие потери при частоте, могут применяться в телевизионных приборах.

Классификация по группам и основные электромагнитные параметры отечественных магнитомягких ферритов

Ферриты — это магнитные материалы, представляющие собой смесь окислов металлов и обладающие ферромагнетизмом. Магнитомягкие ферриты — это ферриты с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м.

Одним из основных достоинств ферритов является высокое удельное электрическое сопротивление в сочетании с достаточно высоким значением магнитной проницаемости; индукция насыщения ферритов меньше, чем металлических магнитных материалов. Особенно выгодно применение их на высоких частотах при малых индукциях. По электрическим свойствам ферриты представляют собой полупроводники, проводимость которых возрастает с повышением температуры. Эффективная удельная электрическая проводимость ферритов увеличивается с возрастанием частоты. На низких частотах ферриты обладают высокой относительной диэлектрической проницаемостью примерно 10⁵. Одновременно высокое значение относительных магнитной μ и диэлектрической ε проницаемостей может приводить к нежелательному объемному резонансу. При объемном резонансе потери резко возрастают, а магнитная проницаемость уменьшается. Для сердечников из марганец-цинковых ферритов с поперечным сечением 1 см² ε≈10⁵ частота объемного резонанса приблизительно равна 1 МГц.

При применении ферритов необходимо учитывать их эксплуатационные характеристики.

Область применения каждой марки феррита определяется критической частотой, выше которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость. Магнитные свойства ферритов резко меняются при одновременном наложении постоянных и переменных полей. Кроме того, после воздействия таких полей имеет место остаточный магнитный эффект, поэтому сердечники не рекомендуется подвергать намагничиванию полями, превышающими рабочие поля.

Механические свойства ферритов подобны свойствам керамических изделий: их режут алмазным инструментом; они хорошо шлифуются и полируются; склеивают их клеем БФ-4. Под воздействием механических нагрузок в сердечниках возникают механические напряжения, что может разрушить сердечник или недопустимо изменить его электромагнитные параметры как во время действия нагрузки так и после нее. Влияние механических нагрузок на электромагнитные параметры сердечников зависит от направления вектора вызываемых ими механических напряжений относительно направления вектора напряженности рабочего поля.

К наибольшим изменениям параметров сердечников приводят механические напряжения, действующие перпендикулярно или параллельно направлению магнитного поля. В этих случаях изменения электромагнитных параметров одинаковы и могут отличаться только знаком.

При воздействии на сердечники динамических, механических нагрузок (ударов, вибраций) с динамическими импульсами менее 5 мс не рекомендуется допускать возникновения в сердечниках импульсов механических напряжений более 490332 Па (5 кгс/см²).

Нельзя допускать непосредственные удары по сердечникам и их падение с высоты на жесткое основание, так как при этом может произойти значительное необратимое изменение значения начальной магнитной проницаемости.

Для ферритов, с точки зрения прочности, самыми опасными видами деформации являются растяжение и изгиб. Предел прочности ферритовых материалов при растяжении (1-2)·10⁴ кПа, при изгибе — в 2…2,5 раза больше, а при сжатии — в 10…15 раз больше, чем при растяжении.

Механические и теплофизические характеристики ферритов имеют следующие ориентировочные значения: модуль Юнга (0,45…2,15)·10⁸ кПа; модуль сдвига (0,43…7,4)·10⁷ кПа; коэффициент Пуассона 0,22…0,40; удельная теплоемкость ферритов приблизительно равна (0,6…0,9)·10³ Дж/(кг·К), коэффициент теплопроводности приблизительно равен (2,8…5,7) Вт/(м·К), коэффициент линейного расширения приблизительно равен (5…10)·10^-6 1/град.

При кратковременном воздействии повышенной и пониженной температур и при температурных циклах могут быть остаточные изменения магнитной проницаемости.

При увлажнении ферритов более чем на 5% могут незначительно возрасти магнитные потери на средних и высоких частотах из-за изменения электропроводности ферритов и диэлектрических потерь. При использовании ферритов с обмоткой на частотах 3МГц и более изменение диэлектрических характеристик при увлажнении вызывает изменение электромагнитных параметров из-за изменения собственной емкости и ее потерь. Вследствие этого при использовании ферритов на частотах свыше 3 МГц в условиях повышенной влажности рекомендуется применять герметизацию.

При радиационном облучении ферритов изменение электромагнитных параметров существенно только при облучении интегральным потоком нейтронов с интенсивностью выше 1·10⁵ нейтронов/см². Под воздействием гамма-нейтронного облучения магнитная проницаемость ферритов уменьшается, особенно у марганец-цинковых ферритов.

Ферриты обладают временной нестабильностью магнитной проницаемости, которая проявляется в спаде значения магнитной проницаемости при длительном воздействии положительных температур или длительном хранении.

Разомкнутые сердечники характеризуются значением эффективной магнитной проницаемости. Тангенс угла магнитных потерь, температурная и временная нестабильность ориентировочно уменьшаются в X_н/Y_е раз, а постоянная гистерезиса — в (X_н/Y_е)² раз.

 

Ферритовые сердечники E, EF | «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория»

Фирма Epcos выпускает 29 наименований типоразмеров ферритовых сердечников E размером от E5 до E80/30/20. Наиболее часто применяются сердечники из базовых силовых марок феррита N27 (для трансформаторов и дросселей, предназначенных для работы в диапазоне частот до 100 кГц) и N87 (до 500 кГц). К преимуществу использования ферритовых сердечников конфигурации E можно отнести невысокую стоимость самих сердечников в сочетании с большим выбором намоточных каркасов, а также низкую трудоемкость изготовления на них моточных изделий за счет простоты выполнения рядовой намотки на станках. Номенклатура ферритовых cердечников E | Каркасы и скобы Проверить наличие сердечников на складе Типоразмер A [мм] B [мм] C [мм] D [мм] h2 [мм] h3 [мм] E 6,3 6,3-0,25 2,0-0,1 3,6+0,2 1,4-0,1 2,9-0,1 1,85+0,15 E 13/7/4 12,6±0,5/-0,4 3,7-0,3 8,9+0,6 3,7-0,3 6,5-0,2 4,5+0,3 E 16/8/5 16,0,+0,7/-0,5 4,7-0,4 11,3+0,6 4,7-0,3 8,2-0,3 5,7+0,4 E 16/8/4 (Ш4*4) 16,0±0,5-0,7 4,0-0,4 10,4+1,0 4-0,5 8±0,25 5,2+0,4 E 16/8/7,8 (Ш4*8) 16,0±0,5 8,0-0,5 10,9±0,5 4-0,4 8+0,25 5,2+0,4 E 20/10/6 20,4-0,8 5,9-0,3 14,1+0,6 5,9-0,3 10,1-0,3 7,0+0,3 E 25/13/7 25,0+0,8/-0,7 7,5-0,5 17,5+0,8 7,5-0,5 12,8-0,5 8,7+0,5 E 30/15/7 30,0+0,8/-0,6 7,3-0,5 19,5+0,8 7,2-0,5 15,2-0,4 9,7+0,6 E 32/16/11 32,0+0,7/-0,5 11,0-0,7 22,7+1 9,5-0,6 16,4-0,6 11,2+0,6 E 36/18/11 36,0+1/-0,7 11,5-0,5 24,5+1,2 10,2-0,5 18,0-0,4 12,0+0,6 E 40/16/12 40,6±0,6 12,5±0,25 мин. 28,6 12,5±0,25 16,5±0,2 10,5±0,3 E 42/21/15 42,0+1/-0,7 15,2-0,5 29,5+1,2 12,2-0,5 21,2-0,4 14,8+0,7 E 42/21/20 42,0+1/-0,7 20,0-0,8 29,5+1,2 12,2-0,5 21,2-0,4 14,8+0,7 E 55/28/21 55,0+1,2/-0,9 21,0-0,6 37,5+1,2 17,2-0,5 27,8-0,6 18,5+0,8 E 55/28/25 55,0+1,2/-0,9 25,0-0,6 37,5+1,2 17,2-0,5 27,8-0,6 18,5+0,8 E 65/32/27 65,0+1,5/-1,2 27,4-1,0 44,2+1,8 20,0-0,7 32,8-0,6 22,2+0,8 E 70/33/32 70,5±1,0 32,0-0,8 48,0+1,5 22,0-0,7 33,2-0,5 21,9+0,7 E 80/38/20 80,0±1,8 20,2-0,8 58,9+2,6 20,2-0,8 38,5-0,8 27,9+0,8 С информацией о стандартной номенклатуре намоточных аксессуаров, выпускаемых Epcos AG для ферритовых сердечников конфигурации E Вы можете ознакомиться, открыв соответствующий pdf файл из таблицы выше. Компания ЛЭПКОС, по разрешению Epcos AG на территории России и СНГ, также рекомендует использовать с ферритовыми сердечниками конфигурации E, производства Epcos AG, дополнительный номенклатурный перечень недорогих намоточных каркасов и скоб других фирм, хорошо зарекомендовавших себя с точки зрения качества и более чем 15 летнего опыта применения ведущими изготовителями РЭА России. Пример расшифровки кода EPCOS и обозначение в конструкторской документации: Единица измерения — штука (половинка) E42/21/20 B66329GX187 — полное наименование ферритового сердечника. E42/21/20 — конфигурация и типоразмер сердечника. B66329 — код типоразмера E42/21/20. 87 — сердечник выполнен из феррита марки N87. Практически весь отечественный типоразмерный ряд Ш-образных сердечников имеет полные аналоги по геометрическим размерам ферритовым сердечникам E, что облегчает их замену на аналоги производства Epcos, выполненные из современных материалов без изменения установочных размеров на плате. Таблицу соответствия можно посмотреть здесь. Для уменьшения потерь при транспортировке и хранения рекомендуем по-возможности заказывать сердечники кратно количеству в заводской упаковке. С информацией о количестве сердечников в стандартной заводской пенопластовой упаковке можно ознакомиться здесь.

ФЕРРИТ-ХОЛДИНГ: Новости   26.03 20  Уважаемые коллеги и партнеры! Обращаем Ваше внимание, что в связи с выходом Указа Президента РФ об объявлении в России нерабочих дней, в период с 28 марта по 5 апреля отгрузки со склада компании ЛЭПКОС осуществляться не будут. 23.01 20  ВНИМАНИЕ! Новый склад компании ЛЭПКОС находится по адресу: 196626, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, д.101, к.3. 30.12 19  Уважаемые коллеги и партнеры! Коллектив компании ЛЭПКОС поздравляет с наступающими Новым годом и Рождеством! Желаем уверенно идти к самым амбициозным целям, всегда держать руку на пульсе и реализовать в Новом году все самые смелые идеи. Интересных проектов, хороших новостей и финансовых успехов! 24.12 19  Режим работы склада ЛЭПКОС:31.12.2019 склад ЛЭПКОС работает с 8-30 до 15-00. В период с 01.01.2020 по 13.01.2020 в связи с новогодними праздниками и переездом склада ЛЭПКОС отгрузки продукции заказчикам производиться не будут. С 14 января 2020 года отгрузки будут осуществляться с нового склада по адресу: СПб, Московское шоссе, д.101, к.3. Приносим извинения за временные неудобства! 08.10 19  ООО "ЛЭПКОС" приглашает посетить стенд нашей компании на выставке ChipEXPO 2019, которая пройдет с 16 по 18 октября 2019 года в г. Москве на территории ЦВК «Экспоцентр» на Красной Пресне, павильон «Форум», стенд C23.

Ферритовые материалы TDK | «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория»

В начале 30-х годов два профессора Токийского Технологического университета Йогоро Като и Такеши Такеи изобрели ферриты – магнитные материалы, представляющие собой смесь оксида железа Fe₂O₃ с оксидами других металлов (таких как Fe, Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu) и обладающие ферромагнетизмом. Вскоре после этого, в 1935 году, и была основана компания TDK, которая впервые поставила производство магнитомягких ферритовых материалов для использования в промышленности и технике.

Первым продуктом TDK на рынке стали «оксидные кольца» (рис. 1) для изготовления трансформаторов и катушек индуктивности. Уже с начала своей истории развития приоритетом для TDK стали инновационные разработки в области улучшения свойств ферритовых материалов и поиск новых областей их применения в электронной технике.

Рисунок 1. Первый в мире ферритовый сердечник.

Рассмотрим фундаментальное свойство ферритового материала - гистерезис (рис. 2). Пусть изначально имеется полностью размагниченный феррит - точка 0. По мере увеличения прикладываемого внешнего магнитного поля Н, идёт процесс намагничивания феррита до индукции насыщения B_s по кривой 0-1, так называемой кривой первоначального намагничивания. Далее убирая внешнее поле, т.е. снижая напряженность поля до нуля, феррит размагничивается по кривой 1-2, сохраняя в отсутствии внешнего поля магнитный момент, характеризующийся величиной остаточной магнитной индукции B_r. Магнитная индукция обращается в нуль лишь под действием внешнего поля Н_с, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность Н_с называется коэрцитивной силой. Продолжая прикладывать магнитное поле в противоположном направлении, магнитная индукция выходит снова на насыщения B_s. При действии на феррит переменного магнитного поля индукция будет изменяться согласно кривой 1-2-3-4-5-1, которая носит название петли гистерезиса.

Рисунок 2. Петля гистерезисного цикла феррита. Н - напряженность внешнего магнитного поля. В - магнитная индукция внутри ферритового материала.

Условно в зависимости от ширины петли гистерезиса, ферритовые материалы можно поделить на магнитотвёрдые и магнитомягкие (рис. 3).

• Магнитотвёрдые ферриты обладают большими значениями коэрцитивной силы Н_с и остаточной намагниченности B_r. Намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях, характеризуются широкой петлёй гистерезиса.
• К магнитомягким ферритам относят материалы с малой коэрцитивной силой Н_с и высокой магнитной проницаемостью µ. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлёй гистерезиса.

Рисунок 3. Петля гистерезисного цикла магнитомягкого и магнитотвёрдого ферритов.

Одним из важных параметров ферритовых материалов является магнитная проницаемость. Связь магнитной проницаемости µ, напряженности магнитного поля Н и магнитной индукции В выражается следующей формулой:

µ_ab - абсолютная магнитная проницаемость
µ_o - магнитная проницаемость вакуума (4π х 10^-7 Гн/м)
µ - относительная магнитная проницаемость.

Абсолютная магнитная проницаемость µ_ab данного материала равна произведению относительной магнитной проницаемости µ на магнитную проницаемость вакуума µ_o. Относительная магнитная проницаемость среды показывает во сколько раз индукция магнитного поля в данной среде отличается от индукции этого же поля в вакууме. Относительная магнитная проницаемость среды является безразмерной величиной.

Как видно из вышеприведенной формулы, при приложении внешнего магнитного поля Н магнитная индукция внутри феррита В усиливается тем больше, чем больше относительная магнитная проницаемость µ.

В связи с нелинейной зависимостью B = f(H) проницаемость µ не является величиной постоянной. На рис. 4 приведена характерная зависимость магнитной проницаемости µ ферритового материала от напряженности магнитного поля Н. Здесь же представлена кривая первоначального намагничивания В(Н).

Рисунок 4. Кривая первоначального намагничивания и зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.

Начальная магнитная проницаемость µ_i определяется тангенсом угла наклона касательной в точке, где напряженность поля H → 0, к основной кривой намагничивания. Для описания поведения магнитного материала в переменном магнитном поле вводится амплитудная проницаемость µ_a, определяемая как тангенс угла наклона прямой, проведенной из начала координат в точку кривой намагничивания. Максимальное значение проницаемости µ_m достигается при приближении к области насыщения кривой намагничивания, после чего при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля H, начинается ее падение.

Величина магнитной проницаемости ферритов также изменяется с температурой (рис. 5), как правило, увеличивается по мере роста температуры и после достижения локального максимума при определённой температуре, проницаемость начинает уменьшаться до проницаемости вакуума μ=1. Температура, при которой магнитные свойства феррита исчезают, называется температурой Кюри. Эта температура определяется следующим образом: на графике зависимости магнитной проницаемости от температуры откладывается 2 точки 0.2 µ_imax и 0.8 µ_imax (20% и 80% от максимального значения начальной магнитной проницаемости, соответственно), проводится прямая через указанные две точки. Пересечение этой прямой с прямой µ_i = 1 , параллельной температурной оси, позволяет определить значение температуры Кюри.

Рисунок 5. Зависимость начальной магнитной проницаемости от температуры.

Характер зависимости магнитной проницаемости от температуры зависит от свойств ферритового материала. Чтобы использовать феррит в широком температурном диапазоне, он должен иметь устойчивые электромагнитные характеристики, в частности с небольшим изменением магнитной проницаемости при изменении температуры. В качестве показателя изменения проницаемости от температуры вводят температурный коэффициент α_µ проницаемости и относительный температурный коэффициент α_F проницаемости:

µ_ref - магнитная проницаемость при референсной температуре Т_ref
µ_T - магнитная проницаемость при температуре Т_Т
В качестве референсной температуры Т_ref рекомендуется брать 25 °С. Температура Т принадлежит тому температурному диапазону, в котором планируется использовать ферритовый материал (обычно это -40 °С, -25 °С, + 5 °С, + 55 °C, + 85 °C).

Связь между относительной магнитной проницаемостью µ и индуктивностью L выражается следующей формулой:

A_e - эффективная площадь поперечного сечения (м²)
l_e - эффективная длина магнитной силовой линии (м)
µ_о - магнитная проницаемость вакуума (4π х 10^-7 Гн/м)
N - число витков.

Исходя из этой формулы видно, например, что нельзя допускать, чтобы дроссель работал с заходом в область насыщения, так как в этой области начинает резко падать проницаемость сердечника, а следовательно, индуктивность дросселя в этой области существенно уменьшится.

Для учёта характера изменения магнитного поля со временем вводится комплексная магнитная проницаемость, чтобы описать влияние среды на сдвиг фазы вектора магнитной индукции B по отношению к вектору напряженности магнитного поля H. Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, при это возникают вихревые токи (токи Фуко), являющиеся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.

f - частота переменного магнитного поля(Гц)
Z_measured - импеданс (Ω)
L_measured - индуктивность (Гн)
R_measured - сопротивление (Ω)

Как видно из представленных формул, µ^' – это вещественная часть, обозначающая индуктивную компоненту, а µ^'' – это мнимая часть, обозначающая резистивную компоненту.

Вещественная составляющая магнитной проницаемости µ^' определяет величину запаса магнитной энергии в магнитном веществе, возвращаемого при размагничивании, мнимая часть µ^'' определяет величину необратимых потерь на вихревые токи, перемагничивание (гистерезис), поглощение в веществе. Характеризуя потери, часто пользуются понятием тангенса угла магнитных потерь tanδ вещества. Это безразмерная величина, равная тангенсу угла между напряженностью магнитного поля Н и магнитной индукцией В, представляющих собой синусоидальные функции времени. Тангенс угла можно представить в следующем виде:

Угол δ называют углом потерь, поскольку для синусоидальных величин В и Н магнитные потери Р=π ƒ В_m H_m sinδ (где В_m и H_m - амплитудные величины) пропорциональны синусу этого угла, а для малых углов - самому углу.

Важнейшей характеристикой магнитных материалов является зависимость комплексной магнитной проницаемости от частоты электромагнитного поля (дисперсия проницаемости). На рис. 5 в качестве примера приведены магнитные спектры (зависимости действительной части комплексной магнитной проницаемости от частоты) ряда никель-цинковых ферритов производства фирмы TDK, имеющих различную начальную магнитную проницаемость в диапазоне от 1 до 10000 МГц. Общим для всех спектров является существование области частот, где значение µ^' остается постоянным. При более высоких частотах магнитная индукция В не успевает следовать за изменением магнитного поля Н, вызывая фазовый сдвиг. Из-за этого действительная часть проницаемости µ^' (индуктивная компонента) довольно быстро падает до очень малых значений, а мнимая часть µ^'' (резистивная компонента) начинает увеличиваться, и, следовательно, магнитные потери возрастают. Существует некоторое ограничивающее значение магнитной проницаемости в высокочастотной области, называемое пределом Сноека (на рис. 6 обозначен красной линией). Предел Сноека ограничивает частотный диапазон, допустимый для использования ферритового материала.

Рисунок 6. Зависимость действительной части комплексной магнитной проницаемости от частоты. Предел Сноека.

Видно, что в материалах (µ_i(HF70)=1500 > µ_i(HF57)=600 > µ_i(HF40)=120) с более высоким значением µ_i снижение действительной части магнитной проницаемости начинается в области более низких частот.

Кроме того, материалы (B_s(HF70)=280 мТл s(HF57)=400 мТл s(HF40)=410 мТл) с более высокой индукцией насыщения имеют более высокую граничную частоту, где они пригодны для использования.

Наибольшее распространение среди магнитомягких ферритовых материалов получили марганец-цинковые Mn-Zn и никель-цинковые Ni-Zn ферриты (рис. 7). Разнообразие марок Mn-Zn и Ni-Zn-ферритов определяется, главным образом, соотношением главных компонентов, наличием легирующих присадок и режимами синтеза.

Рисунок 7. Mn-Zn и Ni-Zn ферриты.

Отличительными особенностями Mn-Zn ферритов являются высокие значения начальной магнитной проницаемости μ_i и магнитной индукции насыщения В_s, при этом магнитные потери низкие. Недостатком является небольшое удельное сопротивление, что затрудняет их использовать при высоких частотах. Прямая обмотка не возможна, а значит, необходимо вводить изоляционный корпус, что приводит к увеличению массы и габаритов. Предел Сноека, показывает, что верхняя граница рабочей области частот ограничена 1 МГц и менее. Основное применение Mn-Zn ферритов - синфазные дроссели в линиях источников питания.

По сравнению с Mn-Zn ферритами, Ni-Zn ферриты имеют невысокие значения начальной проницаемости μ_i, и магнитной индукции насыщения В_s, высокие магнитные потери, однако удельное сопротивление высокое, поэтому прямая обмотка сердечника возможна. Ni-Zn ферриты используются для изготовления маленьких катушек индуктивности и чип индуктивностей, помехоподавляющих бусин и фильтров, помещенных в корпус.

Стоит отметить, что Mn-Zn ферриты обладают меньшей зависимостью магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля по сравнению с никель-цинковыми. Ширина петли гистерезиса у них меньше ввиду меньших значений остаточной индукции и коэрцитивной силы при достаточно высоких значениях индукции. Особенностью марганцево-цинковых ферритов является более высокое значение температуры Кюри к по сравнению с никель-цинковыми ферритами и меньшие значения температурного коэффициента магнитной проницаемости.

В таблице 1 представлены характеристики ферритовых материалов TDK, используемых для кабелей круглого сечения (в том числе бусин), плоских кабелей и коннекторов.

Таблица 1. Характеристики материалов помехоподавляющих ферритов. Для кабелей круглого сечения, плоских кабелей и коннекторов.
Название материала	HF90	HF70	HF57	HF40	HF30
Материал	Mn-Zn	Ni-Zn	Ni-Zn	Ni-Zn	Ni-Zn
Начальная проницаемость μi	5000	1500	600	120	45
Относительный температурный коэффициент αi(x10-6/°С)		1∼3	3∼5	8∼18	5∼15
Температура Кюри Tc°С	> 180	> 100	> 180	> 250	> 300
Магнитная индукция насыщения Bs(мT)	480	280	400	410	320
Удельное сопротивление ρ(Ω⋅м)	0.3	105	105	105	105
Плотность db(x10³кг/м³)	4.8	5.0	5.0	5.0	5.0
Рабочая область частот ν (МГц)	∼1	∼500	∼500	∼600	∼1000
Области использования:

Рис. 8 демонстрирует зависимости вещественной и мнимой частей магнитной проницаемости от частоты для материалов, указанных в таблице 1. Обращает внимание то, что мнимая часть магнитной проницаемости μ˝ достигает максимального значения на частоте, на которой вещественная часть магнитной проницаемости μ' снижается примерно на половину по сравнению со значением начальной магнитной проницаемости. Сноек в 1948 г. объяснил такую взаимосвязь существованием ферромагнитного резонанса в поле магнитной анизотропии.

Рисунок 8. Зависимости действительной и мнимой частей магнитной проницаемости от частоты для ферритовых материалов HF90, HF70, HF57, HF40.

Характеристики ферритовых Mn-Zn материалов, используемых для изготовления синфазных дросселей, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики материалов помехоподавляющих ферритов. Для синфазных дросселей.
Название материала	HS52	HS72	HS10
Материал	Mn-Zn	Mn-Zn	Mn-Zn
Начальная проницаемость μi	5500	7500	1000
Температура Кюри Tc°С	> 130	> 130	> 120
Магнитная индукция насыщения Bs(мT)	410	410	380
Удельное сопротивление ρ(Ω⋅м)	1	0.2	0.2
Плотность db(x10³кг/м³)	4.9	4.9	4.9
Рабочая область частот ν (МГц)	∼1	∼500	∼500
Области использования:

Ферриты нашли широкое применение в качестве фильтров, используемых как на сигнальных проводах для ослабления внешних помех, так и на проводах питания для уменьшения создаваемых ими помех.

Один из возможных способов помехоподавления - использование ферритового сердечника как индуктивного элемента. Для обычного ферритового кольца (бусины) провод либо продевается через кольцо, образуя одновитковую катушку индуктивности, либо образует многовитковую тороидальную обмотку, что увеличивает индуктивность и, соответственно, эффективность помехоподавления. Также используются разборные фильтры в корпусе на защёлках. В этом случае (при использовании ферритового сердечника как индуктивного элемента) важно использовать ферритовый материал в области частот, где вещественная часть начальной магнитной проницаемости μ^' имеет высокое значение, чтобы значение индуктивности было наибольшим.

Часто ферритовые сердечники используются для отсечения помех посредством импеданса. В этом случае важно правильно подобрать не только материал феррита, но и конфигурацию сердечника, количество витков, чтобы получить импеданс достаточной величины для достижения помехоподавления в требуемой области частот. В этом случае помехи отражаются, но не исчезают. На рис. 9 представлены зависимости импеданса от частоты для кольца типоразмера 20х10х20 из ферритовых материалов HF90, HF70, HF57, HF40, HF30.

Рисунок 9. Зависимости импеданса от частоты для кольца типоразмера 20х10х20 из ферритовых материалов HF90, HF70, HF57, HF40, HF30.

Для ферритового вещества импеданс носит комплексный характер Z=(R,X). Его активная составляющая R связана, в первую очередь, с проводимостью. Реактивная компонента X определяется емкостными свойствами.

На рис. 10 (слева) представлены графики частотных характеристик импеданса, а также его активной и реактивной составляющих для бусины типоразмера 6.4х5х3.2 из Ni-Zn феррита HF70. Частота, при которой реактивная X и активная R компоненты импеданса совпадают, называется ферромагнитной резонансной частотой, и зависит от материала феррита. Для Ni-Zn феррита HF70 резонансная частота равна 6 Мгц. Ниже этой частоты, полное сопротивление определено в основном индуктивной составляющей Х. В диапазоне 6 МГц - 100 МГц, ситуация меняется, теперь активная составляющая импеданса R доминирует, именно в этой области помехи могут быть поглощены (без отражения).

Рисунок 10. Частотные характеристики абсолютной величины импеданса |Z|=√R²+Х² (а также активной R и реактивной X составляющих) и абсолютной величины магнитной проницаемости |µ|=√µ^'2+µ^''2(а также действительной µ^' и мнимой µ^'' частей) для бусины типоразмера 6.4х5х3.2 из Ni-Zn феррита HF70. Количество витков = 1.

На рис. 10 (справа) представлены зависимости модуля комплексной магнитной проницаемости, его действительной и мнимой частей от частоты, рассчитанные из частотных характеристик импеданса. Как видно из представленных графиков, имеются взаимосвязи между μ' и L(X), μ’’ и R, |μ| и |Z|, соответственно. Ниже резонансной частоты, начальная магнитная проницаемость определена в основном вещественной составляющей μ', а выше - мнимая составляющая проницаемости μ’’ доминирует.

 

ФЕРРИТОВЫЙ СЕРДЕЧНИК - это... Что такое ФЕРРИТОВЫЙ СЕРДЕЧНИК?



ФЕРРИТОВЫЙ СЕРДЕЧНИК

магнитопровод определ. формы и геом. размеров, выполненный из Феррита методами порошковой металлургии. Наиболее распространены Ф. с. П-, Ш-образной формы, кольцевые, цилиндрич. стержневые и др. Магн. св-ва Ф. с. зависят от св-в исходных компонентов и технологич. режима изготовления сердечников. Ф. с. используются в качестве пост. магнитов, как элементы запоминающих устройств, в магнитомеханич. резонаторах, магнитострикц. преобразователях и др. устройствах.

Большой энциклопедический политехнический словарь. 2004.

• ФЕРРИТОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
• ФЕРРИТЫ

Смотреть что такое "ФЕРРИТОВЫЙ СЕРДЕЧНИК" в других словарях:

• ферритовый сердечник — — [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN ferrite core …   Справочник технического переводчика

• ферритовый сердечник — feritinė šerdis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. ferrite core vok. Ferritkern, m; ferromagnetischer Keramikkern, m rus. ферритовый сердечник, m pranc. noyau de ferrite, m; noyau en ferrite, m …   Fizikos terminų žodynas

• Ферритовый сердечник —         магнитопровод из Феррита. Благодаря очень малой удельной электропроводности ферритов в материале Ф. с. при перемагничивании практически не возникают вихревые токи и, следовательно, отсутствуют потери энергии, что обусловливает возможность …   Большая советская энциклопедия

• ферритовый сердечник (магнитопровод) — — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN ferrite core …   Справочник технического переводчика

• ферритовый сердечник с остаточной намагниченностью — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN latched ferrite core …   Справочник технического переводчика

• магнитострикционный ферритовый сердечник — [ГОСТ 23618 79] Тематики изделия из ферритов и магнитодиэлектриков …   Справочник технического переводчика

• Магнитострикционный ферритовый сердечник — 2. Магнитострикционный ферритовый сердечник Источник: ГОСТ 23618 79: Изделия из ферритов и магнитодиэлектриков. Термины и определения оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ферритовый (магнитодиэлектрический) сердечник — сердечник [ГОСТ 23618 79] Тематики изделия из ферритов и магнитодиэлектриков Синонимы сердечник …   Справочник технического переводчика

• Ферритовый (магнитодиэлектрический) сердечник — ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ 1. Ферритовый (магнитодиэлектрический) сердечник Сердечник Источник: ГОСТ 23618 79: Изделия из ферритов и магнитодиэлектриков. Термины и определения оригинал …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ферритовый — см. феррит; ая, ое. Ф ая структура. Ферри/товый чугун. Ф ая антенна (радио; приёмная антенна в виде провода, намотанного на сердечник из ферромагнитного материала) …   Словарь многих выражений

Насыщение ферритового сердечника - торроидального и Ш-образного. Онлайн калькуляторы.

Итак, мы решили поразвлечься и всерьёз сваять что-нибудь стоящее своими руками, как то: индуктивный фильтр для блока питания, дроссель для усилительного каскада, выходной трансформатор для однотактного УНЧ, или фиг его знает - чего ещё похуже...
Что объединяет этих жертв нашего волеизъявления?
Каждое из перечисленных моточных изделий содержит магнитомягкий магнитопровод, и через каждое из них протекает постоянный ток. И если к переменному току, даже значительных величин, магнитопровод относится сдержанно-положительно, то к постоянке питает явную антипатию и может резко войти в насыщение от её переизбытка.
При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечёт за собой пропорциональное уменьшение индуктивности изделия.

На этой странице порассуждаем о тороидальных магнитопроводах из ферритов, распылённого железа, электротехнической стали и их способности противостоять постоянному току.

Для наглядности рассмотрим график зависимости B от H, называемый петлёй гистерезиса, для распространённого, где-то даже народного, феррита марки N87 фирмы EPCOS.

Здесь:
H - напряжённость магнитного поля, а
B - магнитная индукция в сердечнике.

Зависимость приведена при температуре изделия +25 гр.С.

Интересующие нас параметры из datasheet-а производителя:

Начальная магнитная проницаемость -
µ = 2200,
Магнитная индукция насыщения при H=1200 А/м  -  Bнас = 0,490 Т.

Если внимательно присмотреться к графику, то легко заметить, что в области малых и средних индукций зависимость практически линейна и её наклон примерно равен µ. Именно на этот участок в большинстве случаев и должен приходиться диапазон рабочих индукций.
При дальнейшем повышении напря- жённости магнитного поля магнитная проницаемость начинает быстро падать, пока не наступает момент, при котором дальнейший рост магнитной индукции в сердечнике стопорится на определённой величине. В спецификациях это величина приводится, как значение магнитной индукции насыщения - Bнас, или Bs, т.е. величина, при которой значение магнитной проницаемости падает до неприлично малых значений.

Так что давайте без лишних прелюдий и телодвижений сделаем фундаментальный вывод - для нормальной работы катушки, намотанной на магнитопроводе, рабочие значения магнитной индукция в сердечнике не должны превышать величину 0,75 - 0,8 от значения справочной характеристики Bнас (Bs).

Переходим к незамысловатым формулам!

Магнитная индукция в сердечнике равна:
B = µ×µ₀×n×I/l, где:
µ - магнитная проницаемость сердечника,
µ₀ = 4π×10^-7 (Гн/м) - физическая константа, называемая магнитной постоянной,
n - количество витков обмотки,
I - ток в обмотке,
l - средняя длина магнитного контура.

Поскольку рабочий режим магнитопровода мы выбираем в линейной области петли гестерезиса, то в качестве значения µ можно использовать паспортную характеристику начальной магнитной проницаемости сердечника.

Теперь можно рисовать калькулятор для расчёта магнитной индукции в катушке с учетом выбранного типа сердечника и конкретного количества витков обмотки.

Для удобства восприятия, помещу сюда и значение индуктивности полученного моточного изделия. Формулы для вычислений этого параметра выглядят следующим образом:
L=0,0002×µ×h×n²×ln(D_внешн/D_внутр)   при соблюдении условия  D_внешн/D_внутр>1,75,
L=0,0004×µ×h×n²×(D_внешн-D_внутр)/(D_внешн+D_внутр)   при  D_внешн/D_внутр

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В КАТУШКЕ С ТОРОИДАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ.

Увы, но значительных токов через катушки на ферритовых кольцах, или торах из трансформаторной стали нам пропустить не удастся - нужны танцы с бубнами в виде немагнитных воздушных зазоров.
Другое дело - сердечники из распылённого железа, представляющие собой магнитопровод с немагнитными зазорами, технологически распределёнными по всему объёму магнитопровода. Их очевидный плюс - высокая индукция насыщения, минус - малые величины магнитной проницаемости.

В связи с этим, в некоторых случаях (в основном на низких частотах) предпочтительным является использование именно сердечников из ферритов (или железа) с пропилом для создания малого воздушного зазора. Данная мера позволяет в значительной мере увеличить величину допустимых токов через катушку без ввода магнитопровода в режим насыщения. Длина этого воздушного зазора позволяет регулировать как величину максимально-допустимой напряжённости магнитного поля в сердечнике, так и параметр изменившейся магнитной проницаемости, называемой эквивалентной магнитной проницаемостью сердечника с зазором - µ_эф. Значение этого параметра вычисляется по формуле:
µ_эф = µ/(1+l_з×µ/l), где:
µ - начальная магнитная проницаемость сердечника,
l - средняя длина магнитного контура,
l_з - длина воздушного зазора (толщина пропила).

Давайте посчитаем этот параметр.

РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СЕРДЕЧНИКА С ЗАЗОРОМ.

Таблица даёт приблизительную, но, в большинстве своём, приемлемую точность расчёта при величинах длины воздушного зазора 0,2-2 мм.

Для Ш-образных сердечников в качестве внутреннего и внешнего диаметров следует вводить справочную характеристику длины магнитного контура le.

Определив ниже магнитную проницаемость сердечника с зазором, следует ввести это значение в предыдущий калькулятор и заново произвести вычисления магнитной индукции и индуктивности катушки.

Для наглядности приведу два графика петли гистерезиса Ш-образного ферритового сердечника марки N87 без немагнитного воздушного зазора и с зазором около 1 мм. Феррит ETD 59/31/22, достаточно крупный, с средней длиной магнитного контура le = 139 мм.
Механизмы влияния зазора у Ш-образных и тороидальных сердечников абсолютно идентичны.

Эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором уменьшилась и составила величину 160 единиц. Соответственно, уменьшился и наклон петли, позволяя сердечнику работать при гораздо больших значениях напряжённости магнитного поля вдали от области магнитной индукции насыщения сердечника.
А учитывая то, что значение напряжённости H прямо пропорционально, протекающему через катушку току, можно с уверенностью сказать, что область безопасных индукций теперь соответствует более чем на порядок большим токам в обмотке.

Линейная область петли гистерезиса также заметно увеличилась, что позволяет увеличить максимальные рабочие значения магнитной индукция в сердечнике вплоть до 0,85-0,9 от значения справочной характеристики Bнас (Bs).

 

Ферритовый сердечник - Ferrite core

Несколько ферритовые сердечники

В электронике , А Ферритовый сердечник представляет собой тип магнитного сердечника , изготовленного из феррита , на котором обмотки электрических трансформаторов и других компонентов , таких как раны индукторов образуются. Он используется для его свойств высокой магнитной проницаемости в сочетании с низкой электрической проводимостью (которая помогает предотвратить вихревые токи ). Из - за их сравнительно низкие потери на высоких частотах, они широко используются в ядрах РЧ трансформаторов и катушек индуктивности в таких приложениях, как переключаемых режима электропитания , и ферритовых loopstick антенн для радиоприемников AM.

Ферриты

Ферриты представляют собой керамические Соединения переходных металлов с кислородом , которые являются ферримагнитными , но непроводящими. Ферриты, которые используются в трансформаторе или электромагнитных сердечников содержат железа оксиды в сочетании с никелем , цинка , и / или марганца соединений. Они имеют низкую коэрцитивную и называются « мягкие ферриты » , чтобы отличить их от « жестких ферритов », которые имеют высокую коэрцитивную и используются , чтобы ферритовые магниты . Низкая коэрцитивность означает материал намагниченность можно легко изменить направление , не рассеивать много энергии ( потерь на гистерезис ), в то время как высокая материала сопротивление предотвращает вихревые тока в сердечнике, еще один источник потерь энергии. Наиболее распространенные мягкие ферриты являются:

• Марганец-феррит цинка ( MnZn , с формулой Mn _в Zn _(1-а) Fe ₂ O ₄ ). MnZn имеют более высокую проницаемость и уровни насыщения , чем NiZn.
• Никель-феррит цинка ( NiZn , с формулой Ni Zn _(1-а) Fe ₂ O ₄ ). NiZn ферриты обладают более высоким удельным сопротивлением , чем MnZn, и поэтому более пригодны для частот выше 1 МГц.

Для применений , ниже 5 МГц, используются MnZn ферриты; выше , что, NiZn обычный выбор. Исключением является с синфазных дросселей , где порог выбора является на 70 МГц.

В любое данное сочетание имеет компромисс максимальной полезной частоты, по сравнению с более высоким значением му, в пределах каждой из этих подгрупп производители выпускают широкий спектр материалов для различных областей применения смешивают с получением либо высокую начальную (низкой частоты) индуктивности, или ниже индуктивность и выше , максимальная частота, или для подавления помех ферритов, в очень широком диапазоне частот, но часто с очень высоким коэффициентом потерь (низкий Q ).

Важно , чтобы выбрать правильный материал для применения, в качестве правильного феррита для переключения питания 100 кГц (высокая индуктивность, низкие потери, низкая частота) сильно отличается от , что для РЧ трансформатора или феррита стержневой антенны, (высокая частота низкого потери, но ниже индуктивность), и снова отличается от подавления феррита (большие потери, широкополосный)

Приложения

Есть два основных применения для ферритовых сердечников , которые отличаются по размеру и частоте работы: сигнальных трансформаторов, которые имеют небольшой размер и более высоких частотах, и силовых трансформаторов, которые имеют большой размер и низких частот. Стержни могут также быть классифицированы по форме, например, тороидальные сердечники, сердечников оболочки или цилиндрических сердечников.

Ферритовые сердечники используются для силовых трансформаторов работать в диапазоне низких частот ( от 1 до 200 кГц обычно) и достаточно велики по размеру, может быть тороидальный, оболочки, или в форме буквы «C», «D» или «E» , Они полезны во всех видах электронных переключающих устройств - особенно источники питания от 1 Вт до 1000 Вт максимума, так как более мощные приложения, как правило , из диапазона ферритных одного ядра и требуют текстурированных ядер ламинирования.

Ферритовые сердечники , используемые для сигналов имеют диапазон применений от 1 кГц до многих МГц, возможно , столько же , сколько 300 МГц, и нашли свое основное применение в электронике, например, в AM радиостанций и RFID - тегов.

Ферритовый стержень антенны

Loopstick антенны от радио AM , имеющего две обмотки, одна для длинных волн и один для средних волн (вещания AM) приема. Как правило , длиной 10 см, эти рамочные антенны обычно скрыты внутри радиоприемника.

Ферритовые антенны стержня (или антенна) представляют собой тип малых магнитного контура ( SML ) антенны очень распространены в АМ - радио вещания группы транзисторных радиоприемников , хотя они стали использоваться в вакуумной трубке ( «клапан») радиостанции в 1950 - х годах. Они также полезны в очень низкой частоты (УНЧ) приемников, и иногда может дать хорошие результаты в большинстве коротковолновых частот (при условии , подходящего феррита используется). Они состоят из катушки проволоки , намотанной вокруг ферритового сердечника стержня ( как правило , на несколько дюймов длиннее , чем катушки, но долго , иногда более 3 футов). Это ядро эффективно «концентраты» магнитное поле радиоволн , чтобы дать более сильный сигнал , чем может быть получены с помощью рамочной антенны с воздушным сердечником сопоставимого размера, хотя все еще не так сильны , как сигнал , который может быть получен с хорошим наружным проводом антенны ,

Другие названия включают loopstick антенну , ferrod и антенну с ферритовым шатуном . « Ferroceptor » является старше альтернативное название для ферритового стержня антенны, в частности , используется Philips , где ферритовый сердечник будет называться « Ferroxcube стержень» (торговая марка приобрела YAGEO от Philips в 2000 году). Короткие сроки ферритовый стержень или «петля-палки» иногда относится к катушке-плюс-феррита комбинации , которая занимает место как внешней антенной и первый колебательный контур радиоприемника, или только ферритового самого сердечника (цилиндрический стержень или плоский феррит плиты).

Смотрите также

Рекомендации

Сердечники катушек индуктивности - выбор материала и формы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 2. Кривая насыщения для силового феррита.

Возможными вариантами применения катушки индуктивности, в частности, являются:

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

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

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

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

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

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

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

H (эрстеды) = .4 (π) (N) (I)/L_e, где:

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

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

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

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

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

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

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

Типовыми требованиями к катушкам данного типа являются:

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

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

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

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

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

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

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

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

Типовыми требованиями к катушкам индуктивности переменного тока являются:

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4. Кривые намагничивания при высокой плотности потока намагничивания.

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

Рост температуры вычисляется, исходя из указанной ниже аппроксимации.

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

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

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

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

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

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

1. Magnetics "Inductor Design Using Powder Cores" software PCD-3.1
2. Magnetics "Powder Cores Design Manual and Catalog"

 

---

Смотрите также

• 
  Рои в крови что это такое
• 
  Уретеропиелоскопия что это такое
• 
  Жировик что это такое и как лечить
• 
  В моче ацетон у ребенка что это такое
• 
  А ля карт что это такое
• 
  Диоксид углерода что это такое
• 
  Эклектика в одежде что это такое
• 
  Дуплексное исследование сосудов шеи и головы что это такое
• 
  Дивертикул мочевого пузыря что это такое
• 
  Гиперспермия что это такое
• 
  Электроточка что это такое