Schemo_1.qxd 11/15/00 15:04:Ч Page 30 ра параметр AL легко вычислить само стоятельно по формуле:

Трансформаторы (2) где i Ч начальная магнитная прони цаемость материала сердечника;

и дроссели для 0 Ч абсолютная магнитная про ницаемость вакуума, физическая кон станта имеющая значение 1.257x10 3 мкГн/мм;

импульсных Se Ч эффективная площадь сече ния магнитопровода, мм2;

le Ч эффективная длина сердеч ника, мм.

источников питания Справочные данные ряда сердечни ков без зазора приведены в таблицах Одним из наиболее трудных вопросов, возникающих в процессе кон 1Ц4. Там же указаны эффективные ге ометрические параметры сердечни струирования ИИП, является вопрос расчета трансформаторов и ка ков le и Se, а также относительная маг тушек индуктивности, в том числе и дросселей. Как известно, дрос нитная проницаемость феррита. При сель Ч это катушка индуктивности, выполненная таким образом, что использовании материала с другим значением магнитной проницаемости способна выдерживать большие токи и имеет незначительные потери значение параметра AL следует пере в рабочем режиме. Чаще всего дросселями называют катушки индук считать:

тивности, работающие при большом уровне постоянного тока, проте (3) кающего через обмотку. Трансформатор тоже является разновиднос тью катушки индуктивности. Для краткости далее везде катушки ин дуктивности будем обозначать КИ.

где AL [табл] Ч табличное значение ко эффициента индуктивности сердечни ка;

зложенный ниже материал дает сели для инвертирующих и повышаю i [табл] Ч магнитная проницае возможность не только созда щих преобразователей должны иметь мость феррита, указанная в таблице;

Ивать КИ самостоятельно. Автор определенную, довольно строго за i Ч магнитная проницаемость ис надеется также, что читатели смогут данную расчетом величину индуктив пользуемого материала.

использовать эту информацию для ности. В таких случаях существенное Известно, что обозначение марки проверки и изменения параметров КИ отклонение индуктивности применен отечественных ферритов включает в при повторении и ремонте радиолю ной КИ от требуемой Ч как ее умень себя указание на их начальную маг бительских или промышленных конст шение, так и увеличение Ч приводит к нитную проницаемость, например, рукций. Ведь часто главным препятст нежелательным режимам работы феррит 1000HМ имеет магнитную вием для этого являются трудности в ИИП, излишним потерям и перегруз проницаемость mi =1000 и так далее.

приобретении ферритовых сердечни кам полупроводниковых приборов.

Типичный диапазон проницаемости ков указанного типа или намоточного Аналогичная картина наблюдается и для ферритов лежит в пределах провода определенного диаметра. для трансформаторов. В некоторых 10000. Практически все разъемные Следует оговориться, что приводи применениях, таких как двухтактные сердечники для силовой электроники мые ниже формулы и таблицы могут преобразователи и однотактные пре выполняются из ферритов с высокой применяться при расчете любых КИ, а образователи с передачей энергии на магнитной проницаемостью: 1500 и не только при расчете дросселей и прямом ходе ключа, индуктивность более. Следует иметь в виду, что чем трансформаторов для ИИП. Точность первичной обмотки трансформатора выше магнитная проницаемость фер расчета параметров КИ на основе из не является критичной и всегда может рита, тем выше потери в сердечнике ложенной ниже методики составляет быть увеличена или при соблюдении на высоких частотах. Разъемные сер 25Ц35 %, что в большинстве случаев некоторых условий даже уменьшена. В дечники из материала с низкой прони достаточно для практических целей. то же время однотактные преобразова цаемостью предназначены для сиг Встречаемые же иногда в литератур тели на обратном ходе ключа, кото нальных цепей, их не рекомендуется ных источниках претензии на более рые по своей сути являются инвертиру использовать в силовых цепях ИИП.

высокую точность расчета вызывают ющими преобразователями, весьма Технические данные некоторых за некоторое сомнение, поскольку спра чувствительны к величине индуктивно рубежных ферритов приведены в вочные данные изготовителей сер сти трансформатора. В этом случае табл. 5. Из за недостатка места отно дечников сами по себе имеют точ трансформатор фактически является сительно подробный перечень приве ность порядка 25 % и только некото видоизмененным дросселем. ден только для ферритов фирмы рые ферриты для сигнальных цепей Что касается максимального рабо Philips, для других фирм автор ограни определены более точно. чего тока и сопротивления обмоток, чился популярными силовыми ферри то здесь предела улучшению нет: тами для разъемных сердечников Основные характеристики практически любой дроссель или ИИП.

трансформатор можно успешно за Основными электрическими характери Наиболее часто для разъемных сер менить на дроссель или трансформа стиками КИ являются индуктивность, дечников ИИП употребляются марга тор с большим максимально допус омическое сопротивление обмотки, нец цинковые ферриты следующих тимым значением рабочего тока и максимальный рабочий ток и величина марок:

меньшим сопротивлением обмоток.

потерь в сердечнике. Кроме того, нема Х 3C85, 3C90, 3F3 фирмы Philips;

ловажными характеристиками являются Х N27, N41, N47, N67 фирмы Siemens;

Индуктивность габаритные размеры и вес, а также цена Х PC30, PC40 фирмы TDK;

и трудоемкость изготовления. Индуктивность КИ рассчитывается Х B50, B51, B52 фирмы Thomson LCC;

Требования к КИ варьируются в зави по формуле: Х F44, F5, F5A фирмы Neosid, и т.д.

симости от конкретного применения. Никель цинковые ферриты предпо Например, для многих понижающих чтительны для использования на час (1) преобразователей и для большинства тотах более 2 МГц, что выходит за рам помехоподавляющих фильтров индук ки рабочего диапазона частот боль тивность дросселя может быть выбрана где AL Ч справочный параметр шинства современных ИИП. Как видно большей, чем требуется по расчету. При сердечника, мкГн;

из приведенной таблицы, ферриты этом качество работы преобразователя N Ч количество витков в обмотке. разных изготовителей имеют схожие или фильтра не ухудшается, а, напротив, Для кольцевого сердечника с замкну параметры и образуют взаимозаменя становится лучше. В то же время дрос тым магнитным сердечником без зазо емые семейства. Их можно заменить в Схемотехника № октябрь Schemo_1.qxd 11/15/00 15:04:Ч Page том числе и отечественными ферри При очень малых зазорах или малой ванное кольцо. Например, сердеч тами марок 1500ММ, 2000ММ, проницаемости феррита соотноше ник, состоящий из двух Ш образных 2500ММ. ние (4) неточно, ведь даже при нуле половин, можно представить так:

Кольца фирм Philips и Siemens име вом зазоре эффективная магнитная большое кольцо разрезали вдоль на ют пластиковую оболочку, цвет кото проницаемость не может превысить два тонких кольца, затем эти тонкие рой указывает на марку феррита или магнитной проницаемости материала кольца деформировали в прямо порошкового железа. На разъемных сердечника. При очень больших зазо угольники и составили вместе в виде сердечниках марка материала, как рах форма магнитного поля в них ис восьмерки. Очень важно, что при правило, указана в текстовом виде. кажается, что приводит к дополни таком геометрическом (топологичес К сожалению, не все магнитные сер тельным погрешностям при использо ком) преобразовании параметр AL дечники имеют надлежащую марки вании формулы (4). Выражение мно изменяется незначительно. Следова ровку. Приблизительно оценить маг го меньше подразумевает отноше тельно, любой замкнутый сердечник нитные свойства феррита можно сле ние в 10 и более раз. Пусть читателей сложной формы можно мысленно дующим образом: как правило, фер не смущает кажущаяся ограничен подвергнуть и обратному преобразо риты с более высокой проницаемос ность области применения формулы ванию в кольцо.

тью темные, почти черные, они обна (4), она покрывает подавляющее Таким образом, становится ясно, руживают заметно зернистую структу большинство практических случаев. как поступать с сердечниками, не ру на сколах и разломах, тогда как Например, возьмем сердечник, со описанными в таблицах: надо изме ферриты с относительно низкой про стоящий из двух Ш образных магни рить их геометрические размеры, ницаемостью имеют серый цвет и бо топроводов E20/10/5, изготовленных вычислить длину средней магнитной лее однородную структуру. из материала 3C85, то есть из ферри линии и усредненное поперечное се Значение AL для сердечников с за та с проницаемостью i=2000. Длина чение магнитопровода, а затем найти зором тоже можно получить на основе средней магнитной линии сердечника AL сердечника по формуле (2).

табличных данных. При увеличении 42,8 мм, размеры поперечного сече Например, для того же сердечника зазора эффект получается такой же, ния 3.5x5.0 мм в тонкой части магнито E20/10/5, имеющего длину средней как если бы магнитная проницаемость провода. Введем в сердечник про магнитной линии приблизительно материала сердечника уменьшалась. кладку из немагнитного материала 45мм и усредненное сечение магни Даже сравнительно небольшие зазо толщиной 0.25мм, ширина зазора по топровода приблизительно ры уменьшают проницаемость сер лучится 2x0,25=0,5 мм. Эффективная 5x6=30 мм, расчет по формуле (2) дечника в десятки и сотни раз. Полу магнитная проницаемость сердечника дает результат AL=1,257 мкГн. Это не чаемая при этом эффективная маг с зазором e=42,8/0,5=85,6. При этом далеко от листинной табличной ве нитная проницаемость me зависит в условия применимости формулы (4) личины AL=1,3 мкГн, которая сама по основном от геометрических разме соблюдены: e=85,6 много меньше, себе имеет точность 25 %.

ров и почти не зависит от магнитной чем 2000;

зазор g=0,5 мм много мень Есть и другой путь. Нетрудно найти проницаемости материала: ше 3.5 мм. значение AL по результатам измере Окончательная формула для расче ния индуктивности пробной обмотки.

та параметра AL сердечника с зазором Намотайте небольшую обмотку на такова: проверяемый сердечник, например, (4) 10 витков (N=10). Затем измеритель ным мостом или LC метром измерьте (5) где Ie Ч эффективная длина сред получившуюся индуктивность L и ней магнитной линии сердечника, мм;

рассчитайте AL по формуле:

g Ч суммарная толщина зазора, где AL [табл] и e [табл] Ч табличные зна мм. чения, а условия применимости такие (6) Формула (4) справедлива при вы же, как у формулы (4).

полнении следующих условий: me Продолжим приведенный выше много меньше проницаемости мате пример с сердечником E20/10/5 из Найти, сколько витков должна иметь риала сердечника mi, а зазор g много феррита 3C85. Его табличные значе обмотка для получения заданной ин меньше размеров поперечного сече ния дуктивности, можно по формуле:

ния сердечника. AL [табл]=1,3 мкГн, e [табл]=1430. После Обратите внимание на то, что для введения зазора 0,5 мм формула (5) (7) разъемных сердечников в табл. 2Ц4, по дает результат AL=0,074 мкГн.

мимо значения магнитной проницаемо Ограниченный объем журнальной сти феррита i, приведено и значение статьи не позволяет поместить дан Легко видеть, что обе последние эффективной магнитной проницаемос ные всех имеющихся на рынке видов формулы являются простыми преоб ти me для сердечника без зазора, кото сердечников. Выход из положения разованиями формулы (1).

рое имеет меньшую величину. Дело в подсказывают следующие рассужде Насыщение сердечника том, что реально разъемный сердечник ния.

всегда имеет некий зазор, хотя и очень Значение AL зависит только от двух В случае когда через катушку с сердеч маленький. Кроме того, часть магнитных факторов: магнитной проницаемости ником протекает большой ток, магнит линий проходит мимо сердечника, осо и геометрии сердечника. Практичес ный материал сердечника может войти бенно если размеры его малы, а форма ки любой замкнутый сердечник мож в насыщение. При насыщении сердеч значительно отличается от кольцевой. но рассматривать как деформиро ника его относительная магнитная про УЗЗ 1. В В Й Philips Schemo_1.qxd 11/15/00 15:04:Ч Page УЗЗ 2. ЧЙ RM P (В) УЗЗ 3. ЧЙ ЙВ -З В ницаемость резко уменьшается, что (миллитесла), причем эта величина значение 300 мТ для любых силовых влечет за собой пропорциональное не так уж сильно зависит от марки ферритов уменьшение индуктивности. Снижение феррита. То есть 300 мТ является как Для сердечников с зазором удобно индуктивности вызывает дальнейший бы врожденным свойством именно подставить сюда выражение (4). После ускоренный рост тока через КИ, и т. д. ферритов, другие магнитные мате сокращений получаем:

В большинстве ИИП насыщение сер риалы имеют другие величины поро дечника крайне нежелательно и может га насыщения. Например, трансфор приводить к следующим негативным маторное железо и порошковое же (10) явлениям: лезо насыщаются при величине Х повышенный уровень потерь в мате плотности потока магнитной индук Результат получается, на первый риале сердечника и увеличенный уро ции примерно 1Т, то есть могут рабо взгляд, довольно парадоксальный: ве вень омических потерь в проводе об тать в гораздо более сильных полях. личина максимального тока через КИ с мотки приводят к неоправданно низ Более точные значения порога насы зазором определяется отношением кому КПД ИИП;

щения для разных ферритов указаны размера зазора к количеству витков об Х дополнительные потери вызывают в табл. 5. мотки и не зависит от размеров и типа перегрев КИ, а также расположенных Величина плотности потока магнит сердечника. Однако этот кажущийся па поблизости радиодеталей;

уместно ной индукции в сердечнике рассчиты радокс объясняется просто. Феррито будет упомянуть, что надежность эле вается по следующей формуле: вый сердечник настолько хорошо про ктронной аппаратуры обычно снижа водит магнитное поле, что все падение ется вдвое при увеличении темпера напряженности магнитного поля прихо туры на каждые 6 градусов;

дится на зазор. При этом величина по Х сильные магнитные поля в сердечни тока магнитной индукции, одинаковая и (8) ке в сочетании с уменьшением его для зазора, и для сердечника, зависит магнитной проницаемости являются где 0 Ч абсолютная магнитная про лишь от ширины зазора, тока через об многократно усиленным, по сравне ницаемость вакуума, 1.257x10, мотку и количества витков в обмотке и нию с нормальным режимом работы, мкГн/мм;

не должна превышать 300 мТ для обыч источником помех и наводок на мало e Ч относительная магнитная ных силовых ферритов.

сигнальные цепи ИИП и другие при проницаемость сердечника (не путать Для ответа на вопрос, какой величины боры;

с проницаемостью материала сердеч суммарный зазор g надо ввести в сер Х ускоренно нарастающий ток через КИ ника);

дечник, чтобы он выдержал без насыще вызывает ударные токовые перегруз I Ч ток через обмотку, А;

ния заданный ток, преобразуем выраже ки ключей ИИП, повышенные омичес N Ч количество витков в обмот ние (10) к следующему виду:

кие потери в ключах, их перегрев и ке;

преждевременный выход из строя;

le Ч длина средней магнитной Х ненормально большие импульсные линии сердечника, мм.

токи КИ влекут за собой перегрев эле Несложное преобразование форму (11) ктролитических конденсаторов филь лы (8) поможет найти ответ на практиче тров питания, а также повышенный ский вопрос: какой максимальный ток Чтобы нагляднее показать влияние за уровень помех, излучаемых провода может проходить через дроссель до то зора, приведем следующий пример.

ми и дорожками печатной платы ИИП. го, как сердечник войдет в насыщение? Возьмем сердечник E30/15/7 без зазо Список можно продолжить, но и так ра, феррит 3C85, магнитная проницае уже ясно, что следует избегать рабо мость me=1700. Рассчитаем количество ты сердечника в режиме насыщения. витков, необходимое для получения ин (9) Ферриты входят в насыщение, если дуктивности 500 мкГн. Сердечник, со величина плотности потока магнит где Bмакс Ч табличное значение, гласно таблице, имеет AL=1,9 мкГн. Вос ной индукции превышает 300 мТ вместо которого можно использовать пользовавшись формулой (7), получаем Схемотехника № октябрь Schemo_1.qxd 11/15/00 15:04:Ч Page чуть более 16 витков. Зная эффективную крайней мере, уменьшайте количество тогда как разъемные сердечники для длину сердечника le =67 мм, по формуле витков в обмотке, чтобы снизить поте ИИП, куда легко ввести зазор, почти (9) вычислим максимальный рабочий ри в меди, и одновременно уменьшай всегда выполнены из ферритов с высо ток: Iмакс=0,58 А. те зазор в сердечнике. Важно подчерк кой магнитной проницаемостью. Наи Теперь введем в сердечник проклад нуть, что эта рекомендация не относит более распространенными при ис ку толщиной 1 мм, зазор составит ся к трансформаторам, в которых ток пользовании в ИИП оказываются два g=2 мм. Эффективная магнитная про протекающий через первичную обмот типа колец: с низкой проницаемостью ницаемость уменьшится. После не ку, определяется двумя составляющи (в пределах 50...200) Ч для дросселей, УЗЗ 4. ЧЙ ЙВ -З В Д Й УЗЗ 5. В ЗЗ В сложных расчетов по формулам (5) и ми: током, передаваемым во вторич и с высокой проницаемостью (1000 и (7) находим, что для получения индук ную обмотку, и небольшим током, на более) Ч для трансформаторов.

тивности 500 мкГн нам надо намотать магничивающим сердечник (ток магне Порошковое железо оказывается на 125 витков. По формуле (10) определя тизации). иболее предпочтительным материа ем максимальный ток КИ, он увеличил Как видим, зазор в сердечнике дрос лом для кольцевых неразъемных сер ся до 3,8 А, то есть более чем в 5 раз. селя играет исключительно важную дечников дросселей, работающих при Отсюда следует и практическая ре роль. Однако не все сердечники позво больших токах подмагничивания. Про комендация для читателей, самостоя ляют вводить прокладки. Кольцевые ницаемость порошкового железа тельно конструирующих дроссели. сердечники выполнены неразъемны обычно находится в пределах 40...125, Чтобы получить катушку индуктивнос ми, и вместо того, чтобы регулиро чаще всего встречаются кольца, вы ти, работающую при максимально воз вать эквивалентную магнитную про полненные из материалов с проницае можном токе, заполните сердечник ницаемость при помощи зазора, при мостью 50...80. В табл. 6 приведены проводом полностью, а затем создай ходится выбирать кольцо с определен справочные данные кольцевых сердеч те в сердечнике максимально возмож ной магнитной проницаемостью фер ников из порошкового железа фирмы ный зазор. Если при проверочном рас рита. Этим и объясняется факт боль Philips.

чете окажется, что дроссель имеет шого разнообразия типов магнитных Проверить, входит ли сердечник в чрезмерный запас по току, то выбирай материалов, применяемых промыш насыщение при работе обычного ИИП, те меньший размер сердечника или, по ленностью для изготовления колец, несложно: достаточно проконтролиро вать при помощи осциллографа фор УЗЗ 6. В Й Philips ВД З му тока, протекаю щего через КИ. Дат чиком тока может служить низкоом ный резистор или трансформатор то ка. КИ, работающая в нормальном ре жиме, будет иметь геометрически пра вильную треуголь ную или пилообраз ную форму тока.

В случае же насы щения сердечника форма тока будет искривлена.

В, ЧЙ Продолжение следует    Книги, научные публикации