Переход на импульсные блоки питания (ИБП) обусловлен не только меньшими габаритами трансформатора гальванической развязки, но и общим КПД. Потому что в импульсных блоках питания (ИБП) проще реализовать высокоэкономичные режимы преобразования. В итоге: компактность и сниженное энергопотребление повышают конкурентную привлекательность техники, собранной на высокочастотных трансформаторах, автотрансформаторах и дросселях.
Большую роль в таких компонентах играют ферритовые сердечники, речь о которых пойдёт в этой статье.
Типы сердечников импульсных трансформаторов
Классифицируются сердечники компонентов индуктивности, используемые в импульсной технике, по форме и магнитным свойствам материала.
Формы и свойства ферритовых сердечников
Ферритовые сердечники делятся на:
- Разборные, состоящие из 2-х частей;
- Кольцевые;
- Продольные.
Наибольшее распространение получили P- и Е-сердечники, которые состоят из 2-х частей и кроме 2-х боковых линий магнитопровода имеют ещё центральную часть. Такого типа сердечники имеют наибольшее количество вариантов форм с соответствующими обозначениями. P-сердечники ещё называют чашеобразными, они имеют максимальную магнитную проницаемость.
У Е-сердечников боковая часть магнитопровода имеет меньшую ширину, поэтому они являются максимально компактными. К тому же они имеют толще стенки, поэтому более стойки к механическим повреждениям.
Для поверхностного монтажа разработаны компактные варианты форм сердечников. Это планарные типы SMD-трансформаторов или дросселей.
Материалы сердечников
В качестве материалов для сердечников высокочастотных и импульсных трансформаторов, также дросселей используются магнитомягкие вещества, например, ферриты. Это материалы на основе оксида железа (Fe₂O₃). Для них свойственно быстрое размагничивание, по сравнению с магнитотвёрдыми, которые после их намагничивания становятся постоянными магнитами. Ферриты обладают малыми потерями на вихревые токи (токи Фуко) и более вытянутой петлёй гистерезиса.
Ферриты, предназначенные для силовых трансформаторов, автотрансформаторов и дросселей, работающие на частоте от 10кГц до 300кГц (максимум 500кГц) имеют такие марки в диапазоне начальной магнитной проницаемости:
- 650 – 900 — 3F5, 3F4, 3F45;
- 1200 – 1400 — TP5B, TP5, PC50;
- 1500 – 1800 — N92, TP4E, TP4F, 3C92, CF122, 3C93, CF292;
- 2000 – 2100 — N27, CF196, TP4S, 3C96, CF138, N67, 3C30, 3C34, CF139, 3F3, TP4G;
- 2200 – 2300 — N87, PC90, 3C90, TP4, 3C94, PC40, CF297, N97, TPB22;
- 2400 – 2500 — TP4A, PC44, CF124, N72, PC47, TP4D, TP4B;
- 2700 – 3000 — 3C81, N41, 3C91, CF101, CF130, TK, TP4W, CF295, 3C95;
- 3200 – 3300 — TP4C, PC95, TPW33;
- 3800 — TP1.
Влияние зазора Е-сердечников на их свойства
В идеале, для трансформатора или основной индуктивности каскада импульсного преобразователя напряжения, лучше использовать E-сердечники. У них проще всего реализовать немагнитный зазор, необходимый для однотактных каскадов преобразователей напряжения. Разборные элементы собираются из аналогичных частей с разной величиной h, определяющей значение зазора (см. картинку 7). В таблице представлены марки сердечников с зазором в центральной части е-элемента и без него.
Зазор можно осуществить в сердечниках, имеющих величину h (см. рисунок), комбинацией разных конфигураций изменить его значение, вплоть до теоретического отсутствия. Следует обратить внимание, что некоторые сердечники, собранные с зазором (см. таблицу 1) подходят для меньшей категории мощности.
Зазор уменьшает индуктивность катушки, но особенно необходим, если через обмотки протекает постоянный ток, даже незначительный, который со временем может намагнитить сердечник. Разрыв в магнитопроводе предотвращает его намагничивание. Также, в обратноходных схемах импульсных преобразователей, немагнитный зазор увеличивает магнитное сопротивление и отодвигает порог насыщения сердечника. Это позволяет увеличить ток импульса в цепи первичной обмотки.
Зависимость величины индуктивности AL (измеряемой в наногенри) и магнитной проницаемости μₑ (изм. генри на метр), также зазора и усреднённых размеров сердечника ETD, для материалов типа CF138, CF139, представлены в таблице.
Как видно из таблицы величина зазора сильно влияет на магнитную проницаемость сердечника и, естественно, на индуктивность катушки с 1 витком. Для точного исчисления индуктивности катушки с имеющимся сердечником, измеряют экспериментальную катушку из 10 витков.
Параметры ферритовых сердечников
Основные характеристики ферритовых сердечников:
- начальная магнитная проницаемость;
- индукция насыщения;
- остаточная индукция;
- мощность потерь в сердечнике.
Рассмотрим их подробнее.
Начальная магнитная проницаемость
Начальная магнитная проницаемость измеряется на малых токах намагничивания и является важным коэффициентом, выражающим основные магнитные свойства вещества. Эта характеристика определяет связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля.
Индукция насыщения
Предельная величина, к которой может достигнуть магнитная индукция в веществе до максимального значения намагниченности является индукцией насыщения (см. картинку 6). Дальнейшее увеличение магнитного поля уже больше не вызывает рост индукции.
Остаточная индукция
Та величина магнитной индукции, которая остаётся, после того, как магнитное поле становится равно 0 является остаточной индукцией. Чем меньше этот параметр, тем «мягче» магнитный материал и, естественно, меньше потери.
Мощность потерь в сердечнике
Потери, измеряемые в ваттах, состоят из:
- Коэффициента, обусловленного площадью петли гистерезиса;
- Мощности вихревых токов:
- Остаточной мощности.
Следует учесть, что общий КПД трансформатора или дросселя зависит не только от потерь в магнитопроводе, но и от потерь мощности в катушке, вызванных омическим сопротивлением провода. Провод с серебряным покрытием показывает наилучшие результаты, так как электроны на высоких частотах наиболее активны ближе к внешней поверхности проводника.