209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор дросселя

Характеристики реальных дросселей

Одной из важнейших характеристик реального дросселя является величина рассеяния магнитного потока. Любой магнитный поток, не замкнутый внутри дросселя, представляет собой потенциальный источник электромагнитных помех. Дроссели бывают экранированными и неэкранированными. Неэкранированный дроссель может иметь магнитный сердечник или быть намотанным без сердечника. Дроссели без сердечника применяются только на очень высоких частотах вследствие очень малых значений индуктивности, которые можно получить при приемлемых габаритах. Для большинства неэкранированных дросселей требуется магнитный сердечник. Сердечник снижает величину рассеяния магнитного потока, концентрируя большую его часть внутри себя и непосредственно снаружи провода, но всё же существует значительный магнитный поток и за пределами сердечника. На Рис. 8.1 изображены две основные формы, используемые для неэкранированного магнитного сердечника.

Формы неэкранированных магнитных сердечников: бобина с втулкой или стерженьРис. 8.1. Формы неэкранированных магнитных сердечников: бобина с втулкой или стержень

Сердечник в форме бобины может быть частично экранирован с помощью магнитной втулки, которая закрывает катушку снаружи, но не замыкает магнитный контур. Такие сердечники, а также сердечники, имеющие форму стержня, обычно применяются в неэкранированных дросселях для поверхностного монтажа.

В экранированном дросселе магнитный сердечник должен полностью закрывать обмоточный провод. На Рис. 8.2 изображены конфигурации сердечников, обеспечивающие различные степени экранирования.

Различные конфигурации сердечников для экранированных дросселейРис. 8.2. Различные конфигурации сердечников для экранированных дросселей

Сердечник в форме бобины можно также полностью экранировать, установив втулку так, чтобы она полностью закрывала бобину. Такая конфигурация применяется во многих экранированных дросселях для поверхностного монтажа.

Все дроссели имеют паразитную ёмкость, возникающую вследствие близкого расположения соседних витков. Обычно она очень мала (так как дроссель с сердечником имеет небольшое число витков), и на рабочих частотах импульсных источников питания её влиянием можно пренебречь.

В случае, когда через дроссель течёт довольно большой постоянный ток, необходимо учитывать величину сопротивления обмоточного провода. В дросселе для источника питания с выходным током 10 А для требуемых 10…20 витков может быть использовано 60 см провода. Если выбрать толщину провода № 20 (0,812 мм) по американскому стандарту AWG (American Wire Gauge), его сопротивление будет всего лишь 0.02 Ом, что, казалось бы, совсем немного. Однако на этих 0.02 Ом будет рассеиваться 2 Вт тепла (см. Табл. 8.1).

Диаметр провода
по AWG (мм)
200 А/см2
Нагрев на 5°С
400 А/см2
Нагрев на 15°С
600 А/см2
Нагрев на 30°С
800 А/см2
Нагрев на 45°С
8 (3,264) 16,5 33,0 49,5 66,0
10 (2,588) 10,4 20,8 31,2 41,6
12 (2,053) 6,53 13,1 19,6 26,1
14 (1,628) 4,11 8,22 12,3 16,4
15 (1,45) 3,26 6,52 9,78 13,0
16 (1,291) 2,58 5,16 7,74 10,3
17 (1,15) 2,05 4,10 6,15 8,2
18 (1,024) 1,62 3,25 4,88 6,5
20 (0,812) 1,02 2,05 3,08 4,1

Таблица 8.1. Зависимость предельно допустимого тока от диаметра провода

Суммарная площадь поверхности 60 см провода № 20 (0,812 мм) составит всего лишь 15 см2, поэтому он будет довольно сильно нагреваться. Ещё одна проблема состоит в том, что сопротивление 0.02 Ом при токе 10 А создаёт на дросселе падение напряжения 0.2 В. Такое напряжение весьма значительно для большинства источников питания постоянного тока. В Табл. 8.1 приведён пример зависимости предельно допустимого тока через дроссель от толщины провода и плотности тока. Величина нагрева в этой таблице приведена для однослойных катушек. В многослойных катушках нагрев будет больше.

Некоторые производители сердечников, например Micrometals, для представленных в своих каталогах порошковых сердечников из карбонильного железа сообщают данные о зависимости рабочей температуры от диаметра провода.

В стандартных таблицах проводов обычно даётся единственное значение предельно допустимого тока с взятой за основу плотностью тока 300 А/см2 для катушек и трансформаторов или 600 А/см2 для электропроводки. Это единственное значение задаёт отправную точку для лабораторных измерений. Никто из производителей проводов не даёт подробной информации о взаимозависимостях между плотностью тока, предельно допустимым током, нагревом и диаметром провода. Проще всего взять сердечник, намотать на нём катушку и измерить нагрев, пропуская через неё заданный постоянный ток.

Сопротивление провода текущему в катушке переменному току обусловлено в первую очередь скин-эффектом. Сопротивление проводника увеличивается с ростом частоты. Граничная частота, при которой в проводе с круглым сечением имеет место скин-эффект, рассчитывается по формуле

ƒ = 124 / d2,   (8.1)

где ƒ измеряется в МГц, a d — в милах (1 мил = 0.025 мм).

Величину сопротивления, обусловленного скин-эффектом выше граничной частоты, можно снизить, используя несколько параллельных проводов, литцендрат или плоские проводники. Намотка в несколько параллельных проводов снижает сопротивление, вызванное скин-эффектом, но дополнительные витки увеличивают величину ёмкости между обмотками. Литцендрат состоит из нескольких проводников, переплетённых таким образом, чтобы минимизировать ёмкость между ними. Литцендрат наиболее эффективен до частоты 500 кГц. На частотах выше 3 МГц он теряет эффективность вследствие влияния ёмкости между жилами. Плоские проводники (ленты или полоски) для дросселей практически не применяются из-за трудностей в получении требуемого числа витков. Кроме того, использование плоских проводников в дросселе существенно повышает его паразитную ёмкость.

209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221