210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор дросселя

Характеристики сердечника

Магнитные материалы состоят из очень маленьких магнитных доменов (размерами порядка нескольких молекул). Когда внешнее магнитное поле отсутствует, эти домены ориентированы случайным образом. При появлении внешнего поля домены стремятся выравняться по его силовым линиям. При этом происходит поглощение части энергии поля. Чем сильнее внешнее поле, тем больше доменов полностью выравниваются по нему. Когда все домены окажутся ориентированы по силовым линиям поля, дальнейшее увеличение магнитной индукции не будет влиять на характеристики материала, т. е. будет достигнуто насыщение. По мере того как напряжённость внешнего магнитного поля начинает снижаться, домены стремятся вернуться в первоначальное (хаотичное) положение. Однако некоторые домены сохраняют упорядоченность, а часть поглощённой энергии, вместо того чтобы вернуться во внешнее поле, преобразуется в тепло. Это свойство называется гистерезисом. Потери на гистерезис являются магнитным эквивалентом диэлектрических потерь. Оба вида потерь происходят из-за взаимодействия электронов материала с внешним полем.

На Рис. 8.3 (a) изображена основная кривая намагничивания, которая представляет собой график зависимости магнитной индукции ) в материале (служит количественной характеристикой процесса выравнивания доменов) от напряжённости приложенного поля (H), или намагничивающей силы.

Зависимость магнитной индукции в материале (B) от напряжённости приложенного магнитного поля (H): основная кривая намагничиванияРис. 8.3 ) Зависимость магнитной индукции в материале (B) от напряжённости приложенного магнитного поля (H): основная кривая намагничивания

Форма этой кривой отображает гистерезис материала. Эта классическая кривая намагничивания фактически показывает предельные значения B и H. Если приложить переменное поле с напряжённостью, недостаточной для насыщения, то получится кривая с меньшей замкнутой областью, как показано на Рис. 8.3 ). Подобный процесс происходит в трансформаторе с двухполярным управлением типа двухтактного или мостового.

 Зависимость магнитной индукции в материале (B) от напряжённости приложенного магнитного поля (H): кривая с меньшей замкнутой областью, создаваемая переменным магнитным полем с напряжённостью, недостаточной для насыщенияРис. 8.3 ) Зависимость магнитной индукции в материале (B) от напряжённости приложенного магнитного поля (H): кривая с меньшей замкнутой областью, создаваемая переменным магнитным полем с напряжённостью, недостаточной для насыщения

Наконец, если приложить магнитное поле, величина напряжённости которого переменна, а направление не меняется, то получится кривая с ещё меньшей замкнутой областью, как показано на Рис. 8.3 ). Такой процесс может происходить в фильтрующем дросселе понижающего преобразователя.

Кривая с ещё меньшей замкнутой областью, создаваемая магнитным полем, направление вектора напряжённости которого не изменяется, а амплитуда — переменнаяРис. 8.3 ) Кривая с ещё меньшей замкнутой областью, создаваемая магнитным полем, направление вектора напряжённости которого не изменяется, а амплитуда — переменная

 Напряжённость магнитного поля в сердечнике дросселя определяется из уравнения

H = 0.4 х п х N х I / Ie,   (8.2)

где N — число витков, I — сила тока в амперах, Iе — длина магнитопровода сердечника в сантиметрах, H измеряется в эрстедах ).

Магнитная проницаемость пропорциональна наклону основной кривой намагничивания. На Рис. 8.4 сердечник работает на двух разных участках кривой намагничивания. Проницаемость — это наклон линии, проходящей через центр рабочей характеристики намагничивания. Проницаемость на Рис. 8.4 ) гораздо меньше, чем на Рис. 8.4 ). Когда сердечник насыщается, относительная проницаемость падает до 1, а индуктивность становится примерно такой, какой она была бы без сердечника (обычно очень маленькой).

Сердечник, работающий на двух разных участках кривой намагничивания; магнитная проницаемость больше, чем на рисунке (б)Рис. 8.4 ) Сердечник, работающий на двух разных участках кривой намагничивания; магнитная проницаемость больше, чем на рисунке )

Индуктивность катушки прямо пропорциональна величине магнитной проницаемости сердечника. Дроссель, имеющий сердечник с относительной проницаемостью 20, будет иметь индуктивность вдвое большую, чем такой же дроссель, но имеющий сердечник с проницаемостью 10.

Если приложить к дросселю изменяющееся напряжение, напряжённость магнитного поля будет изменяться на различных участках сердечника.

Сердечник, работающий на двух разных участках кривой намагничивания; магнитная проницаемость меньше, чем на рисунке (а)Рис. 8.4 ) Сердечник, работающий на двух разных участках кривой намагничивания; магнитная проницаемость меньше, чем на рисунке )

Если сердечник изготовлен из материала с низким сопротивлением, например из железа, это переменное поле будет создавать в материале сердечника небольшие контуры тока. Магнитное поле такого тока противоположно приложенному полю и приводит к нагреву сердечника. Этот ток называется вихревым. Вырабатываемое вихревыми токами в сердечнике тепло обусловливает эквивалентное сопротивление дросселя переменному току. Физические размеры области вихревого тока обратно пропорциональны частоте магнитного поля. Чем выше частота, тем меньше амплитуда образующихся вихревых токов, но больше их количество в объёме материала, что означает большие суммарные потери. Для снижения вихревых токов на промышленных и звуковых частотах трансформаторные железо или сталь формируются в виде тонких листов. Железо и сталь редко применяются для сердечников дросселей на частотах выше промышленной, так как потери на вихревые токи становится невозможно ограничивать путём уменьшения толщины пластин.

В дросселях для импульсных источников питания применяются только два материала сердечника — феррит и порошковое железо.

Феррит — это керамический материал, состоящий из смеси оксидов магнитных металлов с оксидом железа. Самые популярные магнитные материалы — марганец-цинк и никель-цинк. Магнитные материалы смешиваются с органическим связующим веществом и обжигаются в печи до образования керамики. Ферриты можно производить в большом разнообразии форм, просто изменяя формовку. После обжига их также можно подвергать машинной обработке с целью сглаживания поверхности и подгонки размеров. Ферритовые сердечники для мощных компонентов изготавливаются обычно из смеси марганца с цинком, чтобы повысить магнитную проницаемость. Потери на вихревые токи в феррите довольно малы благодаря изоляционным свойствам оксидов и связующего вещества. Сопротивление материала довольно велико по сравнению с металлами (выше на три-четыре порядка). Потери на вихревые токи возрастают с ростом частоты, но эти потери мизерны по сравнению с потерями в листовой стали.

В каталогах и документации существует понятие «магнитомягкие ферриты». Здесь нет ничего общего с механической твёрдостью материала, термин относится к форме кривой намагничивания материала. Магнитомягкие ферриты обладают довольно низким значением остаточной намагниченности после снятия напряжённости магнитного поля, тогда как магнитотвёрдые ферриты имеют остаточную намагниченность, почти равную магнитной индукции насыщения. Керамические постоянные магниты являются «магнитотвёрдыми ферритами».

Порошковые сердечники производятся из мелких крупинок железных или других сплавов, покрытых изоляционным материалом, которые прессуются и запекаются. Порошковые сердечники обычно бывают тороидальными или стержневыми, но некоторые производители выпускают и другие формы, например Ш-образные. Размер крупинок порошка определяет верхнюю граничную частоту вследствие потерь на вихревые токи.

В мощных дросселях сердечники образуют, как правило, замкнутый магнитный контур, чтобы магнитное поле находилось целиком внутри дросселя. Величина магнитной индукции и, следовательно, энергии, которая может удерживаться в сердечнике, является характеристикой материала. Величину магнитного потока в замкнутой магнитной цепи можно существенно увеличить, если ввести в контур очень маленький воздушный зазор. Так как относительная магнитная проницаемость воздуха равна 1, а магнитного материала — многим тысячам, большая часть магнитной энергии накапливается в магнитном потоке внутри воздушного зазора. Наличие воздушного зазора снижает эффективную проницаемость сердечника и наклоняет кривую намагничивания, как показано на Рис. 8.5 для того же материала, что и на Рис. 8.4.

Воздушный зазор снижает эффективную проницаемость сердечника и наклоняет кривую намагничиванияРис. 8.5. Воздушный зазор снижает эффективную проницаемость сердечника и наклоняет кривую намагничивания

Обратите внимание, что насыщение наступает при напряжённости магнитного поля около 25 Э вместо 2.5 Э. Воздушный зазор эффективно увеличивает требуемую для насыщения напряжённость магнитного поля вследствие того, что большая часть напряжённости накапливается именно в нём.

Небольшой зазор в ферритовых сердечниках производится машинной обработкой одной из сопряжённых поверхностей. Сердечники из порошкового железа изначально имеют распределённый зазор, обеспечиваемый изолирующим связующим веществом вокруг каждой железной крупинки. Такой распределённый зазор является важнейшим преимуществом, если речь идёт о мощных дросселях. Сердечник с дискретным зазором представляет собой потенциальный источник электромагнитных помех. Вполне возможно, что магнитное поле зазора в дросселе будет оказывать мешающее влияние на другие компоненты системы. Также возможно, что и другие компоненты системы будут влиять на поле в дросселе. Если требуется сердечник с зазором, лучше применять большой сердечник с маленьким зазором, чем маленький сердечник с большим зазором, чтобы минимизировать поля рассеяния. К тому же при маленьком зазоре проще управлять индуктивностью. Чем больше зазор, тем более сильное влияние на магнитное поле сердечника оказывают внешние факторы, например обмотки трансформатора.

Существует несколько форм сердечников, обеспечивающих замкнутую магнитную цепь с соответствующим экранированием магнитного поля. Ш-образные сердечники с зазором в центральном плече обеспечивают среднюю величину экранирования. Самую большую величину экранирования обеспечивают броневые сердечники, и в них легко реализуется зазор. Однако они очень плохо рассеивают тепло, и на них сложно наматывать катушки толстым проводом. Сердечники марок RM, DS и RS — это разновидности классического броневого сердечника, лучше рассеивающие тепло и позволяющие наматывать толстый провод. Эти сердечники поддерживают соответствующее магнитное экранирование с зазором в центральном штыре. Все производители сердечников поставляют эти стандартные формы с выработанным зазором в центральном плече для применения в дросселях. Дроссель можно собрать из одной половинки сердечника с зазором и другой половинки без зазора или из обеих половинок с зазором. Комбинации стандартных величин зазоров и сердечников без зазора обеспечивают гибкость при проектировании дросселя. Главным преимуществом дросселей с ферритовым сердечником является то, что обмотка наматывается станком на пластиковой бобине, а затем из обмотки и двух половинок сердечника собирается дроссель. В завершение половинки сердечника обычно склеиваются. Стандартные зазоры устанавливаются для конкретного значения коэффициента индуктивности AL, поэтому могут встретиться разные стандартные величины зазоров для разных материалов.

Потери на гистерезис в сердечнике пропорциональны частоте приложенного переменного напряжения и создаваемой им переменной магнитной индукции. На Рис. 8.6 представлено семейство кривых потерь мощности для типичного ферритного материала Magnetics Type R.

Семейство кривых потерь мощности для типичного ферритного материала Magnetics RРис. 8.6. Семейство кривых потерь мощности для типичного ферритного материала Magnetics R

Фактическая величина мощности, поглощённой из обмотки и преобразованной в тепло, зависит от переменной магнитной индукции и объёма сердечника. На Рис. 8.7 показаны коэффициенты качества (произведение В на ƒ) для нескольких ферритных материалов фирм Magnetics и Ferroxcube при потерях 300 мВт/см3. Переменную магнитную индукцию в дросселе можно определить по формуле:

B = EAVG x 108 / 4 x A x N x ƒ [Гс] = L x ΔI x 108 / 2 x A x N,   (8.3)

где A — площадь сечения магнитопровода в см2, N — число витков, ƒ — частота в Гц, EAVG — приложенное переменное напряжение прямоугольной формы в вольтах.

Коэффициенты качества (Bxf) для нескольких ферритных материалов фирм Magnetics и Ferroxcube при потерях 300 мВт/с м³ Рис. 8.7. Коэффициенты качества (B х ƒ) для нескольких ферритных материалов фирм Magnetics и Ferroxcube при потерях 300 мВт/см3

Температура влияет на целый ряд параметров магнитного сердечника. На Рис. 8.8 изображены зависимости магнитной проницаемости и потерь в сердечнике от температуры для ферритного материала Magnetics R. Магнитная проницаемость при температуре Кюри резко падает до единицы. К счастью, прежде чем большинство магнитных материалов достигнут температуры Кюри, расплавятся другие части катушки.

 

Зависимости магнитной проницаемости и потерь в сердечнике от температуры для ферритного материала Magnetics Type RРис. 8.8. Зависимости магнитной проницаемости и потерь в сердечнике от температуры для ферритного материала Magnetics Type R

Из-за постоянного тока подмагничивания проницаемость порошковых сердечников постепенно снижается с увеличением напряжённости магнитного поля. На Рис. 8.9 изображены зависимости величины снижения проницаемости от напряжённости магнитного поля для нескольких материалов Micrometals.

 

Зависимости величины снижения проницаемости от напряжённости магнитного поля для нескольких материалов MicrometalsРис. 8.9. Зависимости величины снижения проницаемости от напряжённости магнитного поля для нескольких материалов Micrometals

Вызванная приложенным переменным напряжением магнитная индукция оказывает на проницаемость противоположный эффект, как показано на Рис. 8.10.

 

 

Влияние переменной магнитной индукции на магнитную проницаемостьРис. 8.10. Влияние переменной магнитной индукции на магнитную проницаемость

Результатом действия обоих этих эффектов для фильтрующих дросселей в импульсных источниках питания оказывается практическое отсутствие изменений магнитной проницаемости. На Рис. 8.11 показано изменение магнитной проницаемости в зависимости от частоты.

 

Зависимость магнитной проницаемости от частотыРис. 8.11. Зависимость магнитной проницаемости от частоты

Изменение индуктивности от частоты в области рабочих частот импульсных источников питания будет мизерным. Порошковые сердечники имеют ту же зависимость потерь в сердечнике от переменной магнитной индукции, что и ферриты. На Рис. 8.12 показаны зависимости потерь в сердечнике от переменной магнитной индукции и частоты для материала Micrometals — 26.

Зависимости потерь в сердечнике от переменной магнитной индукции и частоты для материала Micrometals —26Рис. 8.12. Зависимости потерь в сердечнике от переменной магнитной индукции и частоты для материала Micrometals —26

Все порошковые материалы сердечников фирмы Micrometals обладают положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости.

210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222