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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Aplicación de núcleos magnéticos supresores de ruido de pequeño tamaño fabricados a partir de aleaciones metálicas amorfas. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / diseñador radioaficionado Hace un tercio de siglo, los experimentos sobre el enfriamiento rápido de metales fundidos, que se llevaron a cabo con el objetivo de obtener una estructura submicroscópica del metal, demostraron que en algunos casos no existe ninguna red cristalina en el metal, y la La disposición de los átomos es característica de un cuerpo amorfo y sin estructura. Resultó que el metal amorfo tiene propiedades completamente diferentes, no similares a las del metal cristalino. Se vuelve varias veces más fuerte, aumenta su resistencia a la corrosión, cambian sus características electromagnéticas e incluso cambia una de las constantes más estables: el módulo de elasticidad. Las aleaciones amorfas se denominan vidrios metálicos. El interés en ellos está creciendo rápidamente. En primer lugar, los investigadores se interesaron por las propiedades ferromagnéticas de las aleaciones a base de hierro, níquel y cobalto, que resultaron ser superiores a las de la aleación permanente y más estables. Hoy hablaremos de algunas áreas de aplicación de los núcleos magnéticos fabricados a partir de aleaciones de metales amorfos. Los núcleos magnéticos hechos de aleaciones metálicas amorfas se enrollan a partir de cintas delgadas (en promedio, 25 micrones) (Fig. 1). Seleccionando el material y el modo de tratamiento térmico, se pueden obtener propiedades únicas que son óptimas para la aplicación específica del producto.
El fragmento dado del diagrama funcional del convertidor muestra cuatro tipos de núcleos magnéticos (ver anuncio de la empresa Mstator en la página 33): 1 - para correctores de factor de potencia. Debido a la alta inducción de saturación (1,45 T), las bajas pérdidas y la capacidad de funcionar a temperaturas elevadas, el uso de dichos núcleos magnéticos permite reducir el tamaño y el peso del dispositivo; 2 - toroidal con modo de saturación para amplificadores magnéticos (llaves magnéticas). Estos núcleos magnéticos tienen propiedades únicas: alto coeficiente de cuadratura del bucle de histéresis (0,96...0,98), bajas pérdidas y baja fuerza coercitiva a altas frecuencias. Una aplicación típica de los interruptores magnéticos son las fuentes de alimentación multicanal, en las que la retroalimentación al regulador PWM proviene de una de las salidas y la estabilización de voltaje en los canales restantes se garantiza mediante el uso de interruptores magnéticos. Este diseño de fuentes de alimentación elimina la dependencia del voltaje en uno de los canales del nivel de carga de los demás, aumenta la estabilidad y reduce la ondulación del voltaje de salida, y facilita la implementación de control externo separado y protección de corriente separada de canales con diferentes umbrales. . También se utilizan núcleos magnéticos similares para estabilizar la corriente de salida, por ejemplo, en los cargadores. Además, estos productos pueden aumentar la eficiencia y confiabilidad del dispositivo; 3 - supresión de ruido. A menudo se utilizan con un devanado de una sola vuelta: simplemente se colocan en el terminal de un elemento: un diodo, un transistor. Estos núcleos magnéticos proporcionan una supresión eficaz de las interferencias de radio y una reducción de las ondulaciones de alta frecuencia en el voltaje de salida; 4 - toroidal de pequeño tamaño para bobinas de potencia (inductores). Estos núcleos magnéticos se caracterizan por un alto nivel de polarización de corriente continua manteniendo al mismo tiempo una alta permeabilidad. Tienen una alta inductancia de saturación (1,45 T) y bajas pérdidas, permiten reducir las dimensiones del dispositivo y garantizan un funcionamiento con un mayor nivel de polarización de CC que cuando se utilizan núcleos magnéticos fabricados con materiales tradicionales. Además, los núcleos magnéticos hechos de aleaciones metálicas amorfas se utilizan en filtros de modo común de fuentes de alimentación conmutadas. Aquí se utilizan materiales con un bucle de histéresis estrecho, una alta permeabilidad magnética inicial (hasta 150000) y bajas pérdidas a altas frecuencias. Para obtener la inductancia requerida, se requiere un pequeño número de vueltas, lo que, además de reducir las dimensiones, garantiza una baja capacitancia del devanado parásito y un alto coeficiente de supresión de ruido en modo común. A continuación, nos detendremos con más detalle en el uso de circuitos magnéticos supresores de ruido en miniatura. Estos productos evitan cambios rápidos en la corriente eléctrica que de otro modo causarían ruido e interferencias eléctricas. A diferencia de otros, este método elimina la causa misma de la interferencia. Debido a la forma rectangular del bucle de histéresis, los circuitos magnéticos antiparasitarios tienen una inductancia muy alta en el momento en que la corriente pasa por cero, lo que amortigua eficazmente cualquier cambio rápido de corriente. Después de establecer la corriente nominal, el circuito magnético se satura, su inductancia disminuye y no afecta el funcionamiento del dispositivo. Por ejemplo, dichos productos reducen de manera simple y efectiva el ruido causado por la corriente de recuperación inversa en los elementos de conmutación de semiconductores durante el apagado. Los supresores de ruido de una sola vuelta (basados en núcleos magnéticos cilíndricos) están diseñados para optimizarse para su uso con un devanado de una sola vuelta, que suele ser el cable del componente. Se colocan en el terminal del elemento (transistor, diodo) antes de montarlos en la placa de circuito impreso (Fig. 2).
Los dispositivos de supresión de ruido de múltiples vueltas ("eliminadores de picos") son pequeños circuitos magnéticos de saturación con un devanado de varias vueltas. La ventaja de los dispositivos descritos, en comparación con otros métodos, es una mayor eficiencia (debido a la eliminación de la causa de la interferencia: cambios rápidos en la corriente), menores pérdidas (las pérdidas totales son menores que en un circuito RC convencional, especialmente a altas frecuencias ), ahorrando área de la placa de circuito impreso (se ajustan directamente a los terminales semiconductores, sin requerir espacio adicional en la placa de circuito impreso). Esta clase de núcleos magnéticos se usa ampliamente en fuentes de alimentación conmutadas, convertidores CC-CC, unidades de control de motores eléctricos, dispositivos semiconductores conmutados y filtros de modo común de pequeño tamaño. Además de la supresión de ruido, las bobinas de supresión de ruido se utilizan para proteger los semiconductores eliminando sobretensiones potencialmente peligrosas. El principio de funcionamiento del circuito magnético supresor de ruido se ilustra en la Fig. 3.
Durante el flujo de corriente continua (región "I" en la Fig. 3, a), el circuito magnético se satura y su magnetización permanece casi constante (región "G" en la Fig. 3, b), por lo que el inductor tiene una muy baja inductancia. Después del apagado, cuando la corriente directa del diodo disminuye, el circuito magnético todavía está saturado y la inductancia del inductor aún es pequeña (región "II" en la Fig. 3). La corriente del diodo continúa disminuyendo y cambia de dirección (región "III" en la Fig. 3a). El período de recuperación inverso del diodo se caracteriza por un alto valor di/dt, que es la principal causa de interferencia. En este momento, el circuito magnético comienza a remagnetizarse (región "III" en la Fig. 3b), la inductancia del inductor aumenta rápidamente, lo que conduce a una disminución en el aumento de corriente inversa del diodo. Cuando el diodo se cierra, el circuito magnético quedará prácticamente en estado desmagnetizado (región “IV” en la Fig. 3). Tan pronto como llega el siguiente pulso, el diodo se enciende nuevamente y el circuito magnético, al estar magnetizado, entra rápidamente en saturación (región "V" en la Fig. 3) y se repite el proceso descrito anteriormente. En la Fig. La Figura 4 muestra ejemplos del uso de núcleos magnéticos supresores de interferencias (los choques supresores de interferencias están resaltados en rojo, los choques de almacenamiento basados en núcleos magnéticos MD hechos de una aleación amorfa con un modo de polarización de CC están resaltados en amarillo): a - estabilizador de pulso ; b - convertidor push-pull; c - convertidor de retorno; g - unidad de control del motor eléctrico; d - convertidor directo; e - unidad puente para controlar el motor eléctrico.
En la Fig. La Figura 5 muestra oscilogramas comparativos que demuestran claramente las ventajas de los dispositivos de supresión de ruido hechos de aleaciones metálicas amorfas usando el ejemplo de un convertidor directo: a, b - ondulación del voltaje de salida, frecuencia f = 150 kHz, voltaje de salida Uout = 15 V, corriente de carga IN = 10 A: a - amplitud de ondulación 67 mV (circuito RC y núcleo magnético de ferrita), b - amplitud de pulsación 45 mV (MP4-2-4.5AP); c, d - voltaje en la entrada del rectificador (arriba - voltaje en el ánodo del diodo, abajo - corriente a través del diodo), f = 500 kHz, Uout = 5 V, lH = 20 A: c - sin el uso de amortiguación medidas, d - MP4- 2-4.5; d, f - voltaje en el transistor MOSFET de conmutación, frecuencia 250 kHz: d - voltaje máximo 715 V (núcleo magnético de ferrita 4-2-4), f - voltaje máximo 690 V (MP4-2-4.5); g, h - ondulaciones d, f correspondientes del voltaje de salida del convertidor, f = 250 kHz, Uout = 5 V, 1n = 15 A: g - amplitud de pulsación 140 mV (ferrita y núcleo magnético 4-2-4), h - amplitud de ondulación 87 mV (MP4-2-4.5).
En mesa La Tabla 1 proporciona recomendaciones generales al elegir circuitos magnéticos supresores de ruido utilizados en fuentes pulsadas. Una vez determinado el grupo, se selecciona un valor nominal específico en función de los siguientes ratios.
Para suprimir eficazmente el frente de la corriente de recuperación del diodo inverso utilizando dispositivos de una sola vuelta, es necesario cumplir la condición 2Фm≥(Ucxtrr), donde 2Фm es el flujo máximo (doble pico a pico) en el circuito magnético, Wb ; Uc - voltaje inverso en el diodo, V; trr es el tiempo de recuperación inversa del diodo, s. Como ejemplo, considere un diodo de descarga (conmutación) (Fig. 4e) de un convertidor directo con un voltaje de salida de 12 V. El tiempo de recuperación inversa del diodo es de 35 ns, el ciclo de trabajo es de 0,3 (30%). Según la tabla 1, seleccione un circuito magnético cilíndrico de supresión de ruido. Luego calculamos el lado derecho de la expresión: 2Фm≥((12/0,3)х35х10-9)=1,4 мкВб. De la mesa 2, seleccionamos el núcleo magnético más pequeño que cumple esta condición: MPZx2x4.5AP.
Para dispositivos de múltiples vueltas, la condición (2ФmxAw)≥(1,5Ucxl0xtrr), donde 2Фm es el flujo magnético máximo en el núcleo magnético, Wb; Аw es el área de la ventana (devanado) a lo largo del diámetro interno del cuerpo del circuito magnético, mm2; Uc - voltaje en el elemento, V; l0 - corriente del elemento, A; trr - tiempo de recuperación inverso, s. Como ejemplo, considere el diodo de descarga (conmutación) de un convertidor directo con un voltaje de salida de 24 V y una corriente de carga de 2 A. El tiempo de recuperación inversa del diodo es de 60 ns, el ciclo de trabajo es de 0,3 (30%) . Según la tabla 1 seleccione un inductor multivuelta. Luego calculamos el lado derecho de la expresión: (2ФmxAw≥(1,5х(24/0,3)х2х60х10-9)= =14,4 мкВб·мм2 . De la mesa 3, seleccionamos el circuito magnético más pequeño que satisface esta condición: MN080704.5A.
El diámetro del cable (en mm) y el número de vueltas del devanado para el circuito magnético seleccionado se calculan utilizando las siguientes relaciones: dnp≥(0,5√I0 = 0,7 mm; N≥(3Ucxtrr/(2Фm))=(3x(24/0,3)x60x10-9 /(1,96х10-6))=7,35 витка. Elegimos un valor entero N=8 vueltas. La elección óptima final de un inductor de supresión de ruido se realiza durante las pruebas prácticas de un dispositivo real. En la tabla se dan recomendaciones indicativas para el uso de circuitos magnéticos cilíndricos supresores de ruido. 4 (para convertidores directos) y en la tabla. 5 (para convertidores flyback).
Autor: E. Fochenkov, Borovichi, región de Novgorod
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