Публикации
 
Моточные изделия
Mагнитомягкие ферриты
Магнитодиэлектрики 
Постоянные магниты
Компоненты
Источники питания
Узлы и блоки
Печатные платы
 
 
 
 
   

Главная страница  :  Публикации
 

Публикации

 
  Сравнительные характеристики и применение современных порошковых магнитомягких материалов
  Применение защитных диодов
  Применение  широкополосных трансформаторов  | PDF, 85KB
  Выбор сердечников для моточных изделий импульсных источников питания   | PDF, 196KB
  Индуктивные компоненты в радиоэлектронной аппаратуре   PDF, 101KB
   
 

Сравнительные характеристики и применение современных
порошковых магнитомягких материалов


Ковалев Н.С.      bec@telros.net

Металлические магнитомягкие материалы (металлы и сплавы) обладают более высокими магнитными характеристиками по сравнению с ферритовыми материалами, в частности, значительно более высокой индукцией насыщения. К ним относятся пермаллои (сплавы железа и никеля), сендасты (сплавы железа и алюминия), а также технически чистое железо. На рис 1 показаны основные кривые намагничивания некоторых металлических материалов.

Рис.1

Существенным недостатком этих материалов является то, что все они имеют относительно низкое электрическое сопротивление, что не позволяет использовать их в виде пластин или ленты на повышенных частотах из-за чрезмерно больших потерь на вихревые токи. Эта проблема решается путем использования указанных материалов в виде порошков в составе магнитодиэлектриков. Диэлектрик в таких материалах выполняет три функции: изолирует зерна ферромагнитного порошка друг от друга, резко снижая потери на вихревые токи; служит связующим, обеспечивающим механическую прочность сердечника; образует распределенный немагнитный зазор между частицами порошка.
Известны четыре вида наиболее употребляемых магнитодиэлектриков с относительно высокой магнитной проницаемостью (по сравнению с карбонильным железом): сердечники из молибденового пермаллоя (мо-пермаллой, зарубежное название MPP); сердечники на основе железоникелевого сплава High Flux; сердечники из железоалюминиевого сплава Sendust (или Kool Mµ); сердечники из распыленного железа (Iron Powder). Из всех перечисленных материалов выпускаются тороидальные (кольцевые) сердечники, а из материалов Kool Mµ и Iron Powder выпускаются также сердечники Е-конфигурации. Все виды сердечников, и кольцевые и Е-образные, благодаря наличию распределенного немагнитного зазора, допускают в той или иной степени работу с подмагничиванием постоянным током (или переменным током низкой частоты, или постоянной составляющей несимметричного переменного или пульсирующего тока), что иллюстрируется рис.2.

Рис. 2

Сердечники типа MPP по сравнению с другими перечисленными материалами обладают наименьшей индукцией насыщения 0,7-0,8 Тл (7000-8000 G), что, однако, значительно больше, чем у ферритов (0,3-0,5 Тл). Зато MPP имеют наименьшие суммарные потери, что позволяет применять их в трансформаторах обратноходовых однотактных преобразователей (конверторов), работающих с накоплением энергии, дросселях прямоходовых преобразователей напряжения, импульсных стабилизаторов, корректоров коэффициента мощности, работающих с большой амплитудой переменной составляющей. Благодаря малым потерям габариты изделий на сердечниках MPP будут минимальными по сравнению с изделиями на сердечниках из других материалов. Благодаря тороидальной конструкции получается минимальная индуктивность рассеяния и минимальное излучение по сравнению с изделиями на сердечниках других конфигураций.
Недостатком сердечников MPP является их высокая стоимость, связанная с высоким содержанием никеля (около 80%) в исходном материале.
Сердечники из материала High Flux имеют самую высокую индукцию насыщения, значительно выше, чем MPP (до 1.5 Тл, см. рис.1), содержат меньше никеля (около 50 %) и потому дешевле, но обладают в 2-4 раза большими потерями и могут использоваться для тех же изделий, но на более низких частотах и (или) в более слабых полях. Они хорошо держат подмагничивание постоянным током. Зависимость мощности потерь от рабочей индукции для некоторых сердечников на частоте 100 кГц представлена на рис. 3, а зависимость мощности потерь от частоты при индукции 0,1 Тл
(1 kG) представлена на рис. 4.

Рис. 3


Рис. 4

Сердечники из сендаста (или Kool Mµ, разные фирмы-изготовители называют подобные материалы по-разному) занимают промежуточное положение как по величине индукции насыщения (рис.1), так и по величине потерь (рис. 3 и 4), несколько хуже держат подмагничивание постоянным током (рис. 2), но зато значительно дешевле предыдущих двух материалов, так как совершенно не содержит никеля. Эти сердечники так же могут использоваться, как и MPP и High Flux, но для получения той же величины потерь придется снизить величину рабочей индукции в сердечнике или понизить частоту преобразования. Таким образом, за снижение стоимости придется заплатить увеличением габаритов изделия.
Наконец, наиболее дешевыми являются сердечники из распыленного железа (Iron Powder) благодаря дешевизне исходного материала, однако из-за довольно значительных потерь (см. рис. 3 и 4) их наиболее целесообразно применять в выходных дросселях импульсных источников питания (во втором звене фильтра), где размах переменной составляющей невелик, во входных фильтрах радиопомех. При применении сердечников из распыленного железа в дросселях и трансформаторах, работающих в сильных полях (при больших значениях переменной составляющей), для снижения потерь в сердечнике также необходимо снижать величину рабочей индукции и (или) частоту преобразования, что неизбежно приведет к увеличению габаритов изделия

Рис. 5

Представляет интерес зависимость величины потерь от номинальной магнитной проницаемости сердечника, представленная на рис. 5. Из рисунка видно, что величина потерь для сердечников MPP и High Flux от номинальной проницаемости зависит нелинейно и имеет минимум при µ=60; для сендаста и Kool Mµ потери от проницаемости не зависят; для распыленного железа потери резко растут с ростом магнитной проницаемости сердечника.

 

Применение защитных диодов

Ковалев Н.С.     bec@telros.net

Защитные диоды (Protection Diodes, Transil Diodes , Transient Voltage Supression Diodes, Semiconductor Arresters) представляют собой полупроводниковые приборы, аналогичные по принципу действия полупроводниковым стабилитронам. Однако они имеют некоторые особенности по сравнению с обычнывми стабилитронами. Во-первых, большую часть времени они работают в ждущем режиме, т.е. в допробойной области обратной ветви вольтамперной характеристики. При этом они имеют малые токи утечки и практически не оказывают воздействия на работу схемы, в которой они установлены (если не считать влияния собственной емкости диода). Обычно этот режим нормируется. В предпробойной области нормируется значение напряжения, при котором обратный ток диода достигает определенной заданной величины (например, 1мА или 10мА).
В области обратимого пробоя защитные диоды имеют крутую вольт-амперную характеристику с малым значением дифференциального сопротивления, что позволяет пропускать через них в течение короткого времени (обычно до 10 мс) весьма большие токи (до сотен Ампер). При этом обычно оговаривается максимальное значение импульсной мощности, которую может рассеивать защитный диод при определенных временных параметрах импульса (обычно оговаривается длительность фронта и длительность импульса). Это говорит о том, что диод может поглотить определенную ограниченную величину энергии (произведение мощности на длительность импульса). Если эта величина по каким-либо причинам превышается, то защитный диод выходит из строя, но он устроен таким образом, что при этом его выводы закорачиваются и это обычно особо оговаривается фирмой-изготовителем. Это свойство весьма ценно, так как во многих случаях лучше пожертвовать недорогим защитным диодом, чем дорогой аппаратурой, которую он защищает
Защитные диоды выпускаются двух видов-однонаправленные и двунаправленные. Однонаправленные используются в обратном направлении в режиме обратимого пробоя, а в прямом направлении ведут себя как обычные диоды с малым дифференциальным сопротивлением. Двунаправленные эквивалентны встречному включению двух однонаправленных защитных диодов и в допробойной области имеют большое сопротивление в обоих направлениях.

Рисунок 1    

Весьма полезно установить однонаправленный защитный диод на входе DC/DC конвертора (VD1 на рис.1). В этом случае он защищает конвертор от двух неблагоприятных воздействий-от перенапряжений и от переполюсовки. Если диод установить после дросселя L входного фильтра, то дроссель будет несколько ограничивать амплитуду тока через диод при его срабатывании. При длительном перенапряжении или переполюсовке предохранитель F далеко не всегда спасает защитный диод от выхода из строя. Все зависит от времени срабатывания предохранителя. Но недорогой защитный диод спасает значительно более дорогой DC/DC конвертор.

Рисунок 2     

Защитный диод (VD1на рис.2), установленный на выходе DC/DC или AC/DC конвертора защищает не его, а питаемую им аппаратуру. В случае отказа цепи обратной связи конвертора, связанного с ее обрывом или отказом какого-либо элемента (например, оптрона) на питаемую аппаратуру, содержащую часто весьма дорогие компоненты (например, микропроцессоры), может быть подано напряжение, значительно превышающее допустимое, что может привести к выходу из строя всех активных компонентов и конденсаторов. При установке защитного диода в этом случае ток через него резко возрастает, что приводит либо к срабатыванию устройства защиты по току конвертора, либо к его отключению, либо, в крайнем случае, к срабатыванию сетевого предохранителя. Выйдет ли при этом из строя защитный диод, зависит от вида, быстродействия, характера срабатывания устройств защиты конвертора. Но даже при выходе из строя защитного диода он, закорачиваясь, защитит нагрузку от перенапряжения. Кроме того, при использовании защитного диода на выходе конвертора он защищает последний и нагрузку от переполюсовки в случае неправильного подключения какого-либо внешнего источника питания на выход конвертора.

Рисунок 3    

Защита активных ключевых элементов DC/DC и AC/DC конверторов (мощных полевых или биполярных транзисторов или силовых микросхем, например, типа TOPSwitch и т.п.) от выбросов напряжения, обусловленных реакцией индуктивности рассеяния трансформатора T1, также может осуществляться с помощью защитных диодов. При этом защитный диод подключается либо через обычный быстродействующий диод параллельно первичной обмотке трансформатора, как показано на рис. 3а, либо параллельно силовому транзистору или выходному транзистору силовой микросхемы (рис. 3б). В первом случае напряжение пробоя защитного диода должно быть выше наряжения обратного хода первичной обмотки трансформатора, определяемого по плоской части вершины импульса. Во втором случае напряжение пробоя защитного диода выбирается выше суммы максимального напряжения питания и напряжения обратного хода первичной обмотки трансформатора, также определяемого по плоской части вершины импульса. При этом следует иметь в виду, что параллельно транзистору подключается емкость защитного диода, которая при отпирании транзистора разряжается через него и создает выброс тока в начале прямого хода. При подключении защитного диода к первичной обмотке трансформатора диод выбирается на меньшее напряжение, чем во втором случае, а выброс тока при включении транзистора обуславливается зарядом емкости разделительного диода.

Рисунок 4      

Защитные диоды с успехом могут быть использованы также для защиты линий телекоммуникаций, если частоты сигналов не очень высокие и емкость защитных диодов не окажет существенного влияния на работу линии (рис. 4). Здесь защитные диоды VD1 и VD2 защищают аппаратуру связи на приемном и передающем концах линии от импульсных перенапряжений, вызванных электромагнитными импульсами, грозовыми разрядами, замыканиями на линию связи цепей переменного тока частотой 50 Гц. Целесообразно использовать двунаправленные приборы для исключения влияния на полезный сигнал и для защиты от импульсов обеих полярностей. В данном применении также следует учитывать, что защитные диоды могут поглотить энергию ограниченной величины, и , для предотвращения выхода линии из строя ее необходимо защитить предохранителями F1…F4. В качестве таких предохранителей могут быть использованы самовосстанавливающиеся предохранители, например, типа PolySwitch или аналогичные, но при этом следует учитывать их инерционность и то обстоятельство, что при слишком большой энергии, поглощаемой защитным диодом, он выходит из строя и при этом закорачивается.