Порошкові сердечники виготовляються з безлічі матеріалів. Магнітного сплаву надається форма дрібнодисперсних частинок діаметром від 5 до 200 мкм. Частинки покриваються ізолюючим матеріалом товщиною від 0,1 до 3 мкм, і пресують в прес-формах при зусиллі до 300.000 фунтів на квадратний дюйм (21.000 кг / см 2).
Порошкові сердечники.
Порошкові сердечники виготовляються з безлічі матеріалів. Магнітного сплаву надається форма дрібнодисперсних частинок діаметром від 5 до 200 мкм. Частинки покриваються ізолюючим матеріалом товщиною від 0,1 до 3 мкм, і пресують в прес-формах при зусиллі до 300.000 фунтів на квадратний дюйм (21.000 кг / см 2).
При таких високих тисках необхідно використовувати оснастку з карбіду вольфраму. Можливо велика різноманітність форм порошкових сердечників, але найпоширенішими є тороіди. На маленькі тороіди наноситься покриття з ширяв (полі-n-ксілілен, parylene), а на великі - епоксидне. Покриття необхідно для запобігання короткого замикання в процесі намотування обмотки і експлуатації.
Зміна розміру часток, товщини їх покриття і тиску дозволяє змінювати проникність готових порошкових сердечників в діапазоні від 14 до 350. Потім сердечники отжигаются при високій температурі в атмосфера водню. Відпал знімає внутрішні напруження, що виникли при пресуванні, перешкоджає окисленню і покращує магнітні властивості порошкових сердечників.
Втрати на вихрові струми в порошкових сердечниках мінімальні через те, що кожна частка магнітного матеріалу ізольована від інших. Ізолюючий матеріал забезпечує розподілений повітряний зазор, який знижує проникність і дає можливість сердечника запасати значна кількість енергії. Відсутність локалізованого повітряного зазору усуває шкідливий вплив крайового ефекту і пов'язаних з ним втрат.
Порошкове залізо випускається з проникністю від 10 до 90 і є найдешевшим порошковим матеріалом. Через складність виробництва виготовлення сердечників з більш високими проницаемостями з практичної точки зору. Крім тороідов воно випускається у вигляді стрижнів і Е - і I - сердечників. Насичується в районі 10 кгс, але має дуже великі втрати.
Хоча втрати в порошковому залозі і високі, вони нижче, ніж в трансформаторній стали. Воно ефективно застосовується у вигляді стрижнів при дуже низьких рівнях потоку для підстроювання резонансних контурів з трансформаторної зв'язком. Порошкове залізо також використовується в фільтрах з низькими експлуатаційними характеристиками, які повинні витримувати великі постійні струми, а ціна має визначальне значення. Під впливом високочастотного пульсуючого струму значної величини порошкове залізо стає дуже гарячим.
Мо-пермаллой (МРР) найкращий матеріал для фільтрів звуковий частоти, середньо частотних низькорівневих резонансних контурів і згладжують дроселів в перемикаються джерелах живлення. Мо-пермаллой (МРР) сердечники можна використовувати в потужних резонансних контурах, що працюють в області насичення на частотах до 3,5 кГц. При введенні в насичення на частотах вище цієї виділяється занадто багато тепла. Це найкращий матеріал для трансформаторів струму в діапазоні 10 кГц - 1 МГц, особливо якщо необхідно витримувати великі постійні струми. Найбільш ефективне рішення, через дуже низьких втрат на вихрові струми, при необхідності ізолювати шину живлення від коротких потужних піків напруги.
Сендаст був винайдений в Японії перед Другою світовою війною. Він складається з 6% алюмінію, 9% кремнію і 85% заліза. Тороіди з сендаста виробляються з проницаемостями від 60 до 125 під торговою маркою Super-MSS. Властивості сендаста при підмагнічування постійним струмом схожі з Мо-пермаллоев (МРР), а втрати менше, ніж у порошкового заліза, але більше, ніж у Мо-пермаллоя (МРР). З сендаста виготовлялися високоякісні магнітні головки. MSS добре підходить для мережевих і вихідних фільтрів середніх характеристик.
І хоча він злегка дорожче порошкового заліза, його значно нижчі втрати виправдовують різницю в ціні. В перемикаються джерелах живлення, де втрати не так критичні, Super-MSS (сендаст) зазвичай використовують як заміну Мо-пермалой (МРР). Часто це - найкращий вибір, тому що Super-MSS (сендаст) коштує дешевше Мо-пермаллоя (МРР).
High Flux (HF) порошкові сердечники виготовляють зі сплаву 50% нікелю і 50% заліза. HF тороіди мають проникність від 14 до 200. Сердечник з Hi-Flux (HF) може запасти в чотири рази більше енергії, ніж сердечник МРР (Мо пермаллоя) або MSS (сендаста) такий же проникності і розмірів, так як його практичне насичення - 11 кГс. Hi-Flux (HF) коштує трохи дешевше МРР (Мо-пермаллоя) і є найкращим вибором для застосувань, в яких потрібно накопичення максимальної енергії, а вартість не має великого значення. Його втрати значно менше, ніж у порошкового заліза, але більше, ніж у МРР (Мо-пермаллоя) або Super-MSS (сендаста). Hi-Flux (HF) - кращий вибір для потужних низькочастотних резонансних контурів і дроселів, через які повинні протікати великі постійні струми. Це робить можливим створення RFI фільтрів для мережевих джерел живлення, які можуть подовжувати імпульси випрямляча і покращувати коефіцієнт потужності.
Ферити є керамічними матеріалами, виготовленими з окису заліза з додаванням оксидів марганцю, цинку або інших металів. Компоненти у вигляді порошків змішуються, поміщаються в форму і спікається. В результаті виходить тверде, крихке стеклоподобную речовина. Зазвичай проникність має діапазон від 750 до 10000. Щільність потоку насичення - від 3 до 5 кГс. Ферити можна виробляти в будь-якій зручній формі - тороіди, Е - і I - образні сердечники, броньові сердечники і стрижні.
Ферити можуть володіти найнижчими втратами з усіх широко застосовуваних матеріалів через їх низького залишкового намагнічування і високого питомого опору. Вони - найкращий вибір для трансформаторів в діапазоні частот від 1 кГц до 1 МГц. Вони не дуже добре підходять для високочастотних застосувань, якщо не забезпечені зазором. Це обумовлено великим впливом температури і рівня збудження на проникність і Q (добротність).
Зазвичай, питомий опір феритів в мільйони разів більше, ніж у магнитомягких сплавів. Хоча це обумовлює найнижчі втрати на вихрові струми з усіх твердотільних матеріалів, все одно обмотка повинна бути ізольована від сердечника. Краї фериту, гострі як бритва, легко порушать ізоляцію проводу під час намотування.
Для запобігання короткого замикання під час намотування на ферритові тороіди наноситься паріленовое або епоксидне покриття. Не дивлячись на те, що ферити мають досить високим питомим опором, втрати на вихрові струми іноді можуть створювати проблеми. Це відбувається в застосуваннях з високою напругою на виток, таких як дроселі в низькочастотних ланцюгах з високовольтними імпульсами. У цих випадках кращий вибір - МРР (Мо-пермаллой).
Форми сердечників.
Тороіди є найефективнішою магнітної формою і при цьому найдешевшої у виробництві. Для намотування великої кількості витків необхідні спеціальні машини, що кілька коригує їх низьку ціну в бік підвищення. У тороіде зазвичай зазори не використовують через складність з'єднання двох секцій разом.
Е - і I - сердечники дорожчі у виготовленні через необхідність точного суміщення. Якщо вони не точно суміщені, то при кріпленні вони розколються. При необхідності зазор вводиться сточуванням середнього стрижня Е сердечника. Іноді, для подвоєння зазору, з'єднуються два сердечника. Котушки для таких сердечників намотують з великою швидкістю на недорогих машинах, що частково компенсує високу вартість сердечників.
Найбільш дорогі у виробництві - броньові сердечники. Їх виготовляють у вигляді двох половин, які повинні дуже точно підходити один до одного. Сердечник майже повністю оточує котушку, за винятком невеликих отворів для висновків. Практично всі магнітне поле котушки укладено всередині сердечника. Якщо сердечник заземлений, ферит, що володіє середньої електропровідністю, діє так само добре, як електромагнітний екран. Таким чином, броньові сердечники екрановані краще, ніж всі інші типи сердечників.
Броньові сердечники піддаються перегріву, тому що їх обмотка оточена матеріалом сердечника, який погано проводить тепло і перешкоджає циркуляції повітря. Як і для Е - сердечника один або обидва центральних стрижня можуть бути сточені, щоб забезпечити повітряний зазор. Однак при цьому теплову дію крайових ефектів на обмотку призводить до ще більшого зростання температури. У броньових сердечників з зазором для підстроювання індуктивності можуть бути гвинтові сердечники в центральній частині.
Повітряним зазором можна забезпечити як стабільність проникності феритів, так і здатність запасати значні кількості енергії. При зниженні проникності ферити здатні витримувати великі значення постійного струму без насичення. На високих частотах для мінімізації втрат на крайові ефекти необхідно використовувати літцендрата.
На початку 1980-х Stackpole Carbon Company випускала ферритові тороіди з низькою проникністю для накопичення енергії. Однак з невідомих причин виробнича лінія була ліквідована.
Коли розміри сердечника подвоюються, площа поверхні збільшується в чотири рази, а обсяг і втрати зростають у вісім разів. Зростання температури пропорційний відношенню втрат в осерді до площі поверхні, тобто у великих сердечниках вона більше в два рази. Сердечники з діаметром більше 3 дюймів (76,2 мм) можуть зажадати примусового повітряного охолодження навіть при помірних рівнях потоку.
Втрати в осерді викликають збільшення температури обмотки. Опір міді збільшується на 0,4% / о С. Таким чином, збільшення температури на 30 о С через втрати в осерді, на 12% збільшує втрати в міді, що ще більше підвищує температуру. Висока температура сердечника також призводить до деградації ізоляції обмотки і викликає теплові напруги, які можуть призвести до Закорочування витків обмотки.
Більшість хімічних реакцій приблизно подвоюють швидкість зі збільшенням температури на 10 о С. Механізм старіння більшості електронних компонентів залежить від температури і, таким чином, збільшення робочої температури на 10 о С скорочує термін служби вдвічі. Розтрачене даремно потужність підвищує температуру всередині електронного обладнання, що призводить до зниження терміну служби компонентів.
Надмірне тепло повільно окисляє і робить крихкими паяні з'єднання і обугливает друковані плати. Довготривало вплив високої температури на електролітичні конденсатори висушує їх і скорочує термін служби. Резистори в умовах роботи при підвищеній температурі змінюють свій номінал. Функціонування при підвищеній температурі напівпровідників приводить до перерозподілу введених в них домішок і збільшує перетікання зарядів. Це перетікання може ще більше збільшити температуру напівпровідника.
Для підтримки стабільності напівпровідників при підвищеній температурі навколишнього середовища необхідні більш потужні і більш дорогі радіатори. У багатьох випадках вартість радіатора перевищує економію на осерді, що працює при підвищеній температурі. Дуже часто застосування дорогих сердечників, температура яких при роботі нижче, дозволяє відмовитися від вентилятора і знизити загальну вартість. Удавана економія в 1 $ на вартості сердечника може обернутися втратами 100 $ якщо джерело живлення доведеться ремонтувати в польових умовах.
Криві В / Н.
На рис. 1 показана петля гистерезиса феритового сердечника ЕС70 / 70 (3С81) без зазору виробництва Phillips (Ferroxcube) з обмоткою з 200 витків дроту # 17. Його індуктивність близько 160 мГн при 90 мА. Той же самий сердечник, але з повітряним зазором (EC70 / 70G) наведено на рис. 2. Напруга збудження залишилося незмінним, а струм значно виріс. Індуктивність дорівнює 4 мГн при 3,5 А і масштаб змінився. Петля гістерезису стала значно більш лінійної від введення зазору величиною 190 міл (0,48 мм), але насичення відбувається при тих же 3 кГс. Повітряний зазор, розподілений чи ні, просто розширює вісь Н. Він не впливає на втрати в осерді при однакових частоті і рівні потоку.
Сердечники з MPP (Мо-пермаллоя), Super-MSS (сендаста), Hi-Flux і порошкового заліза використовувалися для виготовлення 4 мГн дроселів. Діаметр тороида був 1,84 дюйма (46,73 мм), проникність 60, обмотка складалася з 172 витків дроту # 17. На рис. 3 приведена петля гистерезиса для МРР (Мо пермаллоєвого) сердечника. Петля гістерезису для сердечника з порошкового заліза приведена на рис. 4. Вона більш «масивна» в порівнянні з петлею сердечника з МРР (Мо пермаллоя) і втрати значно більше. У багатьох видів порошкового заліза існує значне падіння проникності при дуже низьких рівнях збудження. У використовуваного сердечника це падіння становило близько 45%. Під час цього тесту сердечник був дуже гарячим і виробляв неприємний звуковий шум.
На рис. 5 приведена потрійна експозиція правих половин петель гистерезиса порошкових сердечників з MPP (Мо-пермаллоя), Super-MSS (сендаста) і Hi-Flux. У сердечників з MPP (Мо-пермаллоя) і Super-MSS (сендаста) криві майже ідентичні, за винятком більшого гістерезису у MPP (Мо-пермаллоя). Насичення цих сердечників відбувається в районі 7 кГс. У порошкових сердечників з Hi-Flux гистерезис більше, ніж у Super-MSS (сендаста) і насичення відбувається більш плавно на рівні, більшому 11 кгс. Втрати для MPP (Мо-пермаллоя) і Super-MSS (сендаста) такі малі, що їх петлі гистерезиса представляють практично пряму лінію. Петлю гістерезису Hi-Flux можна бачити, але вона зовсім не така, як у порошкового заліза на рис.4.
Акустичний шум, вироблений сердечниками з порошкового заліза і фериту з зазором при вимірах на частоті 1 кГц досить неприємний. Hi-Flux шумить на -3дБ тихіше, а MPP (Мо-пермаллой) і Super-MSS (сендаст) - на 6 дБ. Але навіть ці сердечники можуть виробляти дратівливий шум при роботі на частоті близько 3 кГц при максимальних рівнях потоку.
Вимірювання втрат в сердечниках.
На рис. 6 наведені ідеальні форми хвиль, відповідні 4 мГн дроселя, введеному в насичення прямокутним сигналом з частотою 1 кГц. Коли струм втікає в індуктивність, запасені в ній енергія пропорційна значенню індуктивності і квадрату струму. Коли струм зменшується, індуктивність повертає енергію в ланцюг. Енергія запасається при позитивному напрузі, і струм збільшується від нуля до максимуму. Це період позитивної потужності, так як енергія тече з джерела в індуктивність.
Коли напруга збудження раптово стає негативним, енергія з індуктивності повертається в джерело. Потужність стає негативною, так як напруга негативне, а струм позитивний. Коли струм переходить через нуль і стає негативним, енергія починає текти в індуктивність і потужність знову стає позитивною. У цій точці і струм, і напруга негативні.
Коли наступного разу, коли напруги напруга збудження стає позитивним, потужність знову стає негативною і енергія з індуктивності повертається в джерело. У цьому випадку напруга позитивне, а струм негативний. Нарешті ток перетинає нуль в позитивному напрямку, і потужність стає позитивною. Формою зміни потужності є пілообразная хвиля з частотою 2 кГц зі зміщенням на 5 Вт по постійному струму через втрати в осерді. Для вимірювання таких малих втрат при ± 400 Вт реактивної потужності необхідний дуже точний умножающий ватметр.
У типовому перемикається джерело живлення подвоєна амплітуда струму пульсацій, що протікає через згладжує дросель, залежить від розміру застосовуваного сердечника. Зменшення розмірів сердечника з метою економії коштів призводить до збільшення струму пульсацій. Більший струм пульсацій викликає більший нагрів через втрати на гістерезис, що робить необхідним застосування конденсатора фільтра більшої місткості. Найбільш економічно обґрунтованим є використання сердечника, що забезпечує струм пульсацій близько однієї чверті від струму навантаження.
Втрати на гістерезис, викликані струмом пульсації часто більше втрат в міді. Корисним показником продуктивності індуктивності в перемикається джерело живлення є Q, виміряна на частоті 40 кГц. Це дозволяє визначити ESR індуктивності. Вимірювання Q були проведені для MPP (Мо-пермаллоя), Super-MSS (сендаста), Hi-Flux, порошкового заліза і фериту. Рівні постійного струму були 6, 6, 15, 13 і 3,5 А. Проникність порошкових сердечників дорівнює 60. Q на частоті 40 кГц вимірювалася при подвійний амплітуді 2А для порошкових сердечників і 1А для фериту. Опір обмотки було близько 0,18 Ом у порошкових сердечників і 0,28 Ом у фериту. Результати вимірювань наведені в Таб.1.