Магнетизм и магнитные компоненты

November 16, 2011 by admin Комментировать »

Магнитные элементы формируют "костяк" функционирования импульсных источников питания. Понимание основ их работы и практических компромиссных решений в процессе их проектирования — это залог корректного функционирования всего источника питания. Такие факторы как КПД и надежность в большой степени зависят именно от конструкции магнитных компонентов.

К сожалению, программа типичных инженерных училищ и вузов включает уделяет совсем немного времени изучению теории магнетизма, которая быстро забывается. Цель данного приложения — напомнить отдельные элементы теории магнетизма, имеющих самое прямое отношение к импульсным источников питания.

Г.1. Основы теории магнетизма применительно к импульсным источникам питания

В электронике, магнитные поля — это невидимые спутники легко наблюдаемых электрических сигналов. Всякий раз, когда по проводникам течет электрический ток, возникают соответствующие электрическое и магнитное поля. Их ориентацию легко запомнить с помощью правша правой руки (рис. Г.1, а). Нетрудно заметить, что электрическое поле распространяется радиально от провода с током. Если провод ориентирован, как показано на рис. Г.1, а, и ток течет прямо на читателя, то магнитное поле будет ориентировано вокруг провода против часовой стрелки. Когда же провод намотан, как в индукторах, магнитные поля протекают вокруг всей катушки (рис. Г.1, б).

Рис. Г.1. Поля вокруг проводника в воздухе: а — поле вокр>г’отдельного провода; б — поле вокруг катушки

Показанные на рис. Г.1 линии магнитной индукции являются магнитной индукции. В катушке магнитное поле сжато внутри небольшой области в центре катушки, где магнитная индукция оказывается самой высокой. Вне катушки такая область безгранична, и магнитное поле простираться на значительное расстояние, имея при этом меньшую магнитную индукцию.

Когда провод катушки намотан вокруг кольца, сделанного из магнитного материала (например, ферритовый кольцевой сердечник), магнитное поле сосредоточивается почти исключительно внутри материала ферритового сердечника. Это происходит потому, что магнитное сопротивление (reluctance) сердечника намного меньше магнитного сопротивление воздуха, и в результате получается замкнутая магнитная петля. Если на кольцевой сердечник намотать идентичную вторичную обмотку и собрать тестовую установку, показанную на рис. Г.2, то на осциллографе получим всем известную петлю гистерезиса, которую называют кривой намагничивания (В-Н curve).

 

Рис. Г.2. Кривая намагничивания и способ ее получения

Эта кривая является уникальным "отпечатком пальцев" магнитных материалов и их сплавов. Если переменное напряжение возбуждения поднимается достаточно высоко, кривая намагничивания сразу же "сглаживается" сверху и снизу. Это состояние называется насыщением (saturation). В нем почти все магнитные домены внутри магнитного материала ориентированы вдоль приложенного магнитного поля. Значимость рассматриваемой кривой заключается в том, что она представляет величину работы, требуемой для переориентации магнитных доменов внутри магнитного материала в направлении магнитного поля, создаваемого обмоткой и напряжением возбуждения. Такая работа связана с потерями, выраженными в нагреве сердечника, которые называются гистерезисными потерями материала сердечника. Эти потери необходимы для выполнения работы, требуемой источнику питания на протяжении каждого рабочего цикла. Это можно сравнить с грузовиком. Энергия, затраченная на движение груза из начальной точки во все пункты назначения и обратно, теряется, однако в этом процессе выполняется дополнительная работа.

По оси X откладывается коэрцитивная сила или напряженность магнитного поля (Н), которая измеряется в ампер-витках на метр или в эрстедах (Э). Эта напряженность обеспечивает распространение магнитного поля. Ее ближайшим электрическим эквивалентом является напряжение.

где: N— количество витков в обмотке возбуждения; /— максимальный ток, протекающий через обмотку возбуждения, А; 1т — длина магнитопровода, см.

По оси Y откладывается значение магнитной индукции (В), измеряемая в гауссах (Гс) или в веберах (Вб) на квадратный сантиметр (в США) либо в теслах (Тл) или веберах на квадратный метр (в метрической системе счисления). Ее поведение описывается очень полезной формулой, следующей из закона Фарадея:

где: к = 4,0 для прямоугольных волн и к = 4,4 — для синусоидальных волн; Ас — площадь поперечного сечения сердечника, м2; Е — напряжение, приложенное к обмотке возбуждения, В;/ — рабочая частота, Гц.

Это равенство полезно для определения того, насколько близок к насыщению индуктор или трансформатор, чтобы можно было избежать катастрофы.

Наклона сторон кривой намагничивания называют проницаемостью материала. Ее можно рассматривать как степень простоты, с которой переориентируются магнитные домены внутри материала. Чем больше наклон, тем ниже напряженность магнитного поля и сила тока, требуемого для создания данной магнитной индукции. Значение этого наклона имеет большое влияние на то, какая индуктивность приходится на один виток обмотки. Чем выше проницаемость (круче наклон кривой намагничивания), тем больше прирост индуктивности на виток:

Соотношение между В и Н представлено в следующем виде:

Если в импульсном источнике питания используется индуктор или трансформатор, то сердечник никогда не достигает точки насыщения. Вместо этого его работа характеризуется так называемой частной петлей гистерезиса (minor loop), которой соответствуют кривые намагничивания, целиком заключенные внутри кривой намагничивания в состоянии насыщения. В импульсных источниках питания, работающих на частоте 20-50 кГц максимальное отклонение магнитного индукции (Дшх) обычно составляет магнитной индукции насыщения (й5а(). Это дает потери в сердечнике в размере 2% от общего КПД преобразователя, что вполне приемлемо. Для более высоких рабочих частот значение Впт должно быть снижено с тем, чтобы потери в сердечнике удержать на уровне двух или менее процентов от КПД. Типичные частные петли гистерезиса показаны на рис. Г.З.

Рис. Г.З. Частные петли гистерезиса для различных магнитных компонентов

Кривая А — это кривая намагничивания внутри трансформатора прямоходового преобразователя "пушпульного" типа (например, пушпульные, полумостовые и полномостовые). Кривая В характерна для обратноходовых преобразователей, работающего в прерывистом режиме. Кривая С соответствует работе дросселя прямоходового фильтра и обратноходового трансформатора, работающего в непрерывном режиме.

Для постоянного тока и приложений с униполярным магнитным потоком внутри магнитопровода сердечника желательно размещать небольшой воздушный зазор. Его влияние на кривую намагничивания можно увидеть на рис. Г.З. Как видим, снижается общая проницаемость индуктора. Это падение пропорционально длине добавленного воздушного зазора и дает то преимущество в работе индуктора или трансформатора, что требуется ток большей силы через обмотку возбуждения для создания такой магнитной индукции в сердечнике, чтобы он вошел в состояние насыщения. Большая часть энергии, хранимой внутри сердечника, теперь сосредоточена в воздушном зазоре, в результате чего уменьшается магнитная индукция в магнитном материале сердечника. В таких приложениях для поддержания постоянного значения индуктивности на сердечник следует добавить дополнительные витки. Это приводит к увеличению размеров индуктора или трансформатора, однако такая мера необходима для повышения безопасности в работе источника питания.

Основные потери в любом материале сердечника — это гистерезисные потери и потери от вихревых токов. Обычно производители сердечников объединяют эти потери и представляют их в виде графика зависимости потерянной мощности на единицу объема от максимальной рабочей магнитной индукции (Дтх) и рабочей частоты. Гистерезисные потери описываются следующей формулой:

где: къ — постоянная гистерезисных потерь для данного материала; v — объем сердечника, м2;/— рабочая частота, Гц; Втт — максимальная магнитная индукция, Тл.

Потери от вихревых токов обусловливаются потоками электронов, создаваемых внутри материала сердечника сильными локальными магнитными полями. Они обычно протекают по окружностям, и этому способствует наличие больших сплошных объемов в материале сердечника. Завихрения тока возникают также в сердечниках с углами. Бороться с завихрениями можно использованием либо сердечников с большим магнитным сопротивлением, противодействующим течению тока, либо слоистых сердечников. В последнем случае сердечник разбивается на небольшие поперечные сечения, прерывающие круговые пути тока. Потери от вихревых токов описываются формулой

I

Как видим, оба типа потерь существенно возрастают с повышением уровней Дшх, а потери от вихревых токов также возрастают пропорционально рабочей частоте. Эти потери приводят к увеличению размеров индуктора или трансформатора, если требуется увеличить частоту работы. Увеличение рабочей частоты импульсного источника питания не обязательно ведут к уменьшению размеров сердечника.

В проектировании магнитных компонентов внутри источника питания большинство проблем возникает из-за весьма заметного различия в терминологии, используемой в обычной конструкторской электронной литературе и в литературе, выпускаемой производителями сердечников. Различие в единицах между производителями Соединенных Штатов и других стран также может приводить к путанице, особенно если не особо точно даны уравнения и единицы измерений, которые необходимо использовать.

Что касается информации по потерям в сердечниках, то каждый производитель использует собственные единицы. Некоторые используют ватты на единицу объема (см3 или м3) либо на единицу веса (фунты). Проектировщик может использовать лишь контрольную точку на графике, которая обычно лежит на половины значения Bsat при частоте 50 кГц и дает два процента потерь от общего КПД источника. Затем проектировщик может подкорректировать значение Втт для поддержания этих двух процентов потерь. Следует быть особо внимательным к используемым единицам измерения и применять только корректные магнитные уравнения. Обычно производители сердечников выпускают прикладную литературу, в которой представлены формулы, соответствующие выбранным ими единицам измерения.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты