Ювелирное обозрение

Продолжаем тему ожесточённой борьбы за параметр добротности катушек индуктивности.
В центральной завязке сюжета давайте сделаем весьма вольное, но не оскорбительное допущение – ферритами мы будем называть как, собственно, сами ферриты, так и сердечники из карбонильного (распылённого) железа. Так просто удобней и доступнее для восприятия.

В первом приближении можно считать, что однослойная тороидальная катушка – это ничем не примечательное моточное цилиндрическое изделие, свёрнутое в бублик.

Как добиться максимальной добротности от такой катушки без ферритовых излишеств, мы порассуждали на прошлой странице.

Ясен хулахуп, что добавление ферритового кольца внутрь нашего бублика в определённое количество раз увеличит индуктивность катушки. Для того, чтобы понять, сколько это выйдет в попугаях, приведу упрощённую формулу, описывающую зависимость необходимого количества витков катушки W от значения индуктивности L и магнитной проницаемости µ ферритового кольца, на которое нанесена обмотка : W=K*√ L/μ , где
K – это в нашем случае совершенно малоинтересный коэффициент, зависящий от габаритных размеров ферромагнитного сердечника.

Что даёт нам эта формула? А даёт она нам наглядное понимание того, что для получения значения индуктивности на феррите, такой же, как и в катушке без сердечника нам потребуется в √ µ меньшее количество витков. Т.е. для катушек, намотанных на радиочастотных магнитопроводах с начальной магнитной проницаемостью 5 – 75, экономия на длине провода составит величину ≈ 2 – 9 раз.

Казалось бы, здорово: тёплая ночь, красота за окном, девки поют, пазлы складываются в изящную картинку – примерно в такое же количество раз должна возрасти и добротность нашего изделия.
А вот и нет! Необратимые потери в сердечнике на вихревые токи, перемагничивание (гистерезис), поглощение в веществе изрядно подпортят так хорошо начинавшуюся песню.
Потери эти обычно характеризуются понятием тангенса угла магнитных потерь tanδ вещества.
Эта безразмерная величина может быть представлена в следующем виде: tanδ = μ"/μ’ , где
μ’ – является начальной магнитной проницаемостью феррита в привычном понимании этого слова, а μ" – некая величина, называемая мнимой частью магнитной проницаемости, определяет потери феррита.

А решив покопаться в архивах старинных справочников, есть шанс наткнуться и на до боли простую формулу Q=1/tanδ , что выдаёт нам в сухом остатке значение добротности, определяемое влиянием потерь в ферритовом сердечнике: Q = μ’/μ" .

По-хорошему, совсем не лишним было бы учесть потери, которые возникают на ВЧ и в проводах катушек (см. предыдущую страницу). Однако, учитывая уменьшившееся в несколько раз активное сопротивление провода, можно сделать робкий вывод, что основной вклад в добротность будут вносить всё ж таки именно потери ферромагнитного сердечника.

Параметр μ" иногда публикуется производителями в виде графика зависимости от частоты, называемого магнитным спектром феррита. А иногда не публикуется.

Фирма TDK, к примеру, радует глаз радиолюбителя разнообразием цветов и полнотой информации.

А вот, казалось бы – известный американский производитель Amidon™ Inc., весьма почитаемый в кругах отечественных богомольцев, для своих ферритов публикует магнитные спектры, а для сердечников на распылённом железе отправляет пытливый ум разработчика в полный игнор.

Полную информацию по всему ассортименту Amidon-овских ферритов можно найти на официальном сайте на странице http://www.amidoncorp.com/specs/.

И "куда деваться бедному еврею?" при желании намотать высокодобротную катушку на карбониле?

И бедному еврею, и богатому, и даже вообще не еврею – придётся сделать выбор:
– либо для приложений с малым уровнем сигнала мотать изделие на феррите с нормированным уровнем магнитных потерь,
– либо для радиочастотных цепей с высокими уровнями мощности, остановить свой выбор на сердечнике из распылённого железа, выбирая его габариты, исходя из принципа гарантированной работы, далёкой от области насыщения материала, а номер смеси – исходя из частот, рекомендованных производителем.

Ниже приведу список ферритовых колец Amidon, отлично себя зарекомендовавших, при использовании в высокодобротных резонансных схемах.

Тип материала	Начальная проницаемость	Частоты для резонансного применения, МГц
33	800	0.01 to 1 MHz
43	850	0.01 to 1 MHz
61	125	0.2 to 10 MHz
64	250	0.5 to 4 MHz
67	40	10 to 80 MHz
68	20	80 to 180 MHz
73	2500	0.001 to 1 MHz
77	2000	0.001 to 2 MHz
83	300	0.001 to 5 MHz
F	3000	0.001 to 1 MHz
J	5000	0.001 to 1 MHz
K	290	0.1 to 5 MHz
W	10000	0.001 to 0.25 MHz
H	15000	0.001 to 0.15 MHz

Делаем выдох и наклон в сторону карбонильных сердечников.

По большому счёту – сердечники из распылённого железа ассоциируются производителем в качестве оптимального материала для применения в силовых устройствах (сглаживающих дросселях, дифференциальных сетевых фильтрах, высокочастотных преобразователях и т.д.). Поэтому данные, приводимые в документации, связаны в основном с мощностными, т. е. малоинтересными для данной темы характеристиками.
А поскольку мы знаем, что катушки, намотанные на подобных магнитопроводах, обладают вполне себе приличными значениями добротности, то исходить придётся из значений магнитной проницаемости материалов и частотных характеристик, приведённых ниже.

При выборе рабочего частотного диапазона материала следует задаваться величиной допустимого отклонения магнитной кривой – ± 10%.

Ну и на основании приведённого графика давайте нарисуем доморощенную таблицу, описывающую частотные характеристики сердечников из распылённого железа.

Номер смеси	Начальная проницаемость	Диапазон частот, МГц	Цветовая маркировка
-2	10	0.1 to 100 MHz	Красный
-8	35	0.1 to 100 MHz	Жёлтый/красный
-14	14	0.1 to 100 MHz	Чёрный/красный
-18	55	0.1 to 20 MHz	Салатовый/красный
-19	55	0.1 to 10 MHz	Красный/салатовый
-26	75	0.1 to 0.4 MHz	Жёлтый/белый
-30	22	0.1 to 10 MHz	салатовый/серый
-34	33	0.1 to 6 MHz	Серый/голубой
-35	33	0.1 to 4 MHz	Жёлтый/серый
-40	60	0.1 to 0.4 MHz	Салатовый/жёлтый
-45	100	0.1 to 1 MHz	Чёрный
-52	75	0.1 to 1 MHz	Салатовый/голубой

А теперь для нашего друга из солнечного Биробиджана прозвучит ритмически захватывающая поп-композиция "Частотные диапазоны работы карбонилов, не вошедших в предыдущую таблицу". Основным критерием выбора данных диапазонов является достижение максимального значения добротности намоточного изделия.

Ну и хватит о грустном. Подведём итог вышерассказанной истории: "Как намотать высокодобротную катушку на ферритовом кольце?".

1. Обмотка должна быть однорядной, как можно более толстым (в пределах разумного) проводом.
2. Для цепей с малым уровнем сигнала лучшим выбором являются ферритовые кольца, так как имеют в данном режиме нормированный уровень магнитных потерь.
Кстати, отечественные кольца 50ВЧ2, 30ВЧ2 прекрасно работают во всём КВ диапазоне, и мало чем уступают Амидоновским ферритам.
3. Для радиочастотных цепей с высокими уровнями мощности – ничего не остаётся, как использовать сердечники из распылённого железа, чутко подбирая типоразмеры колец. Чем дальше будет режим работы магнитопровода от области насыщения материала – тем выше будет добротность катушки!

Ну и напоследок, с благодарностью автору, ознакомимся с весьма полезной для широкого круга радиолюбителей информацией от уважаемого постояльца форума cqham.ru – LY1SD:

«Иногда возникают вопросы по Qxx (добротность в режиме холостого хода) контуров на карбонильных кольцах от AMIDON.

При проверке на Q-метре выяснено, что на тороидальных карбонильных сердечниках от amidon или советских ферритовых торах 20-50ВЧ Qхх очень мало зависит от диаметра провода, поэтому достаточно использовать провод толщиной не более 0,5мм.

Пример:
Кольцо Т50-6 (жёлтое, μ=8, D=12,7мм), провод ПЭЛШО 0,35, W=24 витка, L=2,82мкГн. С проводом ПЭВ-2 0,5 добротность несколько выше, но не на много.
Результат измерений:

Ёмкость конденсатора	Добротность контура Qxx	Резонансная частота
25 пФ	170	18,5 Мгц
50 пФ	205	13,3 Мгц
100 пФ	220	9,42 Мгц
150 пФ	220	7,72 Мгц
200 пФ	210	6,73 Мгц
250 пФ	205	6,05 Мгц
300 пФ	200	5,54 Мгц
350 пФ	200	5,14 Мгц
400 пФ	195	4,82 Мгц
450 пФ	190	4,56 Мгц

Зато на кольце Т106-6 (жёлтое, D=27мм) пробная обмотка L=3,96мкГн (17 витков) проводом ПЭВ-2 1,0мм дала добротность более 400 при ёмкостях 100-400пФ!

Ёмкость конденсатора	Добротность контура Qxx	Резонансная частота
25 пФ	240	15,7 Мгц
50 пФ	325	11,4 Мгц
100 пФ	400	8,25 Мгц
150 пФ	415	6,65 Мгц
200 пФ	420	5,6 Мгц
250 пФ	420	5,25 Мгц
300 пФ	415	4,78 Мгц
350 пФ	410	4,44 Мгц
400 пФ	400	4,16 Мгц
450 пФ	395	3,94 Мгц

Как видим, изменение Qxx от изменения ёмкости переменника выглядит совершенно иначе, чем с простой соленоидной (в виде пружины) катушкой без сердечника. Сразу бросается в глаза то, что Qxx максимальна не при минимальной ёмкости, как у простой катушки. И также видно, что Qxx сохраняется высокой при максимальной ёмкости переменника.

Из вышесказанного можно сделать вывод 1, что если использовать маленький переменник с небольшой максимальной ёмкостью (например, 10/50пФ, или 10/100пФ), то поддиапазоны можно переключать постоянными конденсаторами, не трогая катушки и запросто перекрыть без потерь Qxx весь КВ-бенд, переключая эти конденсаторы.
Маленький переменник в пределах поддиапазонов обеспечит плавную и точную настройку.

Вывод 2 – можно не стремиться к маленьким ёмкостям контура, так как Qxx катушек на карбонильных кольцах максимальна не при малых контурных ёмкостях. Это значит, что при таких больших ёмкостях контура изменение ёмкости переходов транзистора (а также других паразитных ёмкостей) при изменении его режимов будет мало сказываться на стабильности частоты, так как ёмкость контура на 1-2 порядка больше, чем все указанные ёмкости».

Распылённое железо (Iron Powder) используются при изготовлении сердечников для радиочастотных применений в течении нескольких десятилетий. Структура с распределённым воздушным зазором позволяет применять сердечники Iron Powder в различных дросселях, предназначенных для накопления энергии. Во многих случаях распылённое железо может стать недорогой альтернативой молибден-пермаллою (MPP), материалам HiFlux и KoolMu, а также ферритовым и аморфным сердечникам с зазором. Описанные ниже марки распылённого железа обычно используются в дросселях фильтров дифференциальных помех, в сглаживающих дросселях на выходах ИИП, в корректорах коэффициента мощности (ККМ) и DC-DC преобразователях, работающих в непрерывном режиме, а также в пускорегулирующих устройствах энергосберегающих ламп и ламп дневного света.

*) Все цветные кодировки Micrometals защищены законом США. Бюро Патентов и Торговых Марок США зарегистрировало формальные номера и цветовые кодировки для марок -8, -18, -26 и -52

-2 Низкая проницаемость этой смеси позволяет дросселю функционировать при значительной переменной составляющей индукции в сердечнике без возникновения чрезмерных потерь. Отлично подходит для высокочастотных применений.

-2/93 имеет высокую стабильность проницаемости при значительных токах подмагничивания. Является недорогой альтернативой смеси -2 в применениях, некритичных к потерям на высоких частотах.

-8 Этот материал имеет наименьшие потери среди всех марок и наилучшую стабильность проницаемости при больших токах подмагничивания. Отличный материал для высокочастотных применений, самый дорогой из перечисленных марок.

-8/93 Недорогой вариант материала -8 с более высоким уровнем потерь. Стабильность проницаемости и прочие параметры идентичны параметрам материала -8

-14 Аналогичен смеси -2, имеет незначительно более высокую проницаемость.

-18 Умеренные потери, как у материала -8, при более высокой проницаемости и невысокой стоимости.

-19 Недорогая альтернатива смеси -18 с незначительно большими потерями.

-26 Самая популярная среди смесей общего назначения. Широко используется в различных дросселях ИИП. В последнее время заменяется материалом -52

-28/-30 Высокая стабильность проницаемости, умеренная цена и низкая проницаемость позволяют использовать эти материалы при разработке дросселей для источников бесперебойного электропитания (ИБЭП) большой мощности.

-33/-34/-35 Недорогая альтернатива смеси -8 для применений, не критичных к уровню потерь на высоких частотах. Хорошая стабильность при значительном подмагничивании постоянным током.

-40 Самый дешёвый из материалов. Имеет характеристики, идентичные смеси -26. Популярен в крупных типоразмерах.

-45 Имеет самую высокую начальную проницаемость. Подобен материалу -52 при более высоком значении потерь.

-52 Аналогичен популярному материалу -26, но имеет меньшие потери на высоких частотах. Рекомендуется для применения в новых разработках.

Сердечники из распылённого железа содержат органический диэлектрик, вследствие чего подвержены термическому старению. В результате длительного воздействия высоких температур происходит необратимое снижение проницаемости сердечника и уменьшение добротности. Степень этих изменений зависит от температуры, продолжительности воздействия, размера сердечника, частоты и значения индукции в сердечнике. Все эти факторы следует обязательно учитывать при разработке дросселя, если рабочая температура достигает 75ºC. Снижение температуры до -65ºC не вызывает изменений параметров сердечника.

В мощных устройствах потери в дросселе могут значительно влиять на температуру всего устройства. Снижение добротности вследствие нагрева сердечника увеличивает потери на вихревые токи, что способствует дальнейшему разогреву и может привести к необратимому термическому пробою, в результате которого сердечник из магнитодиэлектрика превращается в проводник. Поэтому следует избегать рабочих режимов, при которых потери в сердечнике превышают потери в обмотках. Потери на перемагничивание не зависят от термического старения и остаются постоянными.

Проблемы, связанные с термическим старением, рассмотрены на страницах 38-40 каталога фирмы Micrometals. Подробно использование серчечников IronPowder рассмотрено в статье "Сердечники из распылённого железа в импульсных источниках питания", журнал «Chip News Украина», №№7-9 2005г (www.chipnews.com.ua), и "Современная Электроника" №№1-3, 2006г (www.soel.ru).

Тороидальные сердечники типоразмера от Т25 и более имеют двухцветное диэлектрическое покрытие, которое выдерживает действующее напряжение 500 В, 60 Гц и большинство известных органических растворителей. Длительное воздействие некоторых растворителей может разрушить покрытие.

Для увеличения пробивного напряжения тороидальные сердечники могут по заказу покрываться двойным или тройным слоем изоляции. Е-образные сердечники и пластины обрабатываются специальным образом для предотвращения возникновения ржавчины. Настоятельно рекомендуется защищать сердечники без диэлектрического покрытия от воздействия влаги при хранении и транспортировке.

Все сердечники нормируются по значению значению коэффициента одновитковой индуктивности A_L ; проницаемость материала приводится как справочная величина. Все значения A_L получены путём измерения при размахе переменной индукции 10 мТл на частоте 10 кГц. С целью уменьшения индуктивности рассеяния обмотка выполняется в один слой и равномерно распределяется по поверхности кольца. Неравномерное размещение обмотки влияет на результат измерений. Допустимый разброс значения A_L для смесей -2 и -2/93 составляет ±5%, для всех остальных ±10%.

ООО «Полимагнит» является эксклюзивным дистрибьютором компании Arnold Powder Cores (Micrometals Group) (USA) в России и странах СНГ. Сердечники Arnold широко используются в электронной промышленности, в том числе и в источниках вторичного питания, инверторах, конверторах. Выпускается шесть видов магнитомягких порошковых сердечников – MPP (Молипермаллой), HI-FLUX™, SMSS™- Sendust, FLUXSAN™, Optialloy и сердечники из распыленного железа (Iron Powder).

1. Super-MSS™ Sendust: порошковый материал, приготовленный из сплава железа, кремния и алюминия.

Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 40, 60, 75, 90 и 125.
Характеристики:
– низкая магнитострикция и, как следствие, низкий уровень шумов
– низкие потери
– сравнительно низкая стоимость
– рабочие частоты до 1 МГц
– отсутствие температурного старения
– возможность изготовления сердечника тороидальной, Е- образной и прямоугольной формы

Сердечники из Sendust являются отличным выбором для энергонакапливающих и фильтрующих индуктивностей в переключаемых источниках питания, низкочастотных выходных АС фильтров для звуковых усилителей и UPS, катушек индуктивности мощных резонансных контуров и дросселей EMI фильтров.
Для переключаемых источников питания, где потери не так критичны, Sendust может заменить МРР. Характеристики подмагничивания постоянным током просто отличные по сравнению с порошковым железом аналогичной проницаемости и размеров.
Из-за низкой магнитострикции, сердечники, изготовленные из SMSS™ – материала, производят очень низкие уровни механического шума при прикладывании возбуждения, что делает применение данного типа сердечников весьма желательным в EMI дросселях, в которых отфильтровывается АС.

2. MPP Molypermalloy: порошковый материал, приготовленный из сплава железа, никеля и молибдена.
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 60, 125, 147, 160, 173, 205 и 250.
Характеристики:
– самая низкая магнитострикция и, как следствие, самый низкий уровень шумов
– самые низкие удельные потери
– рабочие частоты до 200 кГц
– отсутствие температурного старения
– возможность изготовления сердечника тороидальной формы с размерами до 154 мм

Это наилучший по эффективности материал для изготовления сердечников, используемых в фильтрах звуковой частоты, колебательных контурах и дросселях, в источниках питания, в катушках индуктивности, в резонансных контурах с фиксированной настройкой, высокодобротных фильтрах, пупиновских катушках, RFI фильтрах, трансформаторах тока в диапазоне от 10 кГц до 300 МГц.

3. FluxSan™: порошковый материал, приготовленный из сплава железа и кремния.
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 40, 60, 75 и 90.
Характеристики:
– самая высокая индуктивность насыщения
– относительно низкие удельные потери на частотах до 200 кГц
– отсутствие температурного старения
– возможность изготовления сердечника тороидальной, Е- образной и прямоугольной формы

Материал является более дешевой альтернативой материалу Hi-Flux, при этом характеризуется более низкими потерями, чем Hi-Flux.

4. Hi-Flux™: порошковый материал, приготовленный из сплава железа и кремния.
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 60, 125, 147 и 160.
Характеристики:
– высокая индуктивность насыщения
– приемлемые удельные потери на частотах до 200 кГц
– отсутствие температурного старения
– возможность изготовления сердечника тороидальной формы с размерами до 154 мм

Высокая плотность потока насыщения (до 15000 Гс) HF сердечников делает их идеальными для производства мощных источников питания, катушек индуктивностей импульсных стабилизаторов, фильтров линейных шумов, фильтров переключаемых источников питания, проходных фильтров помех переменного тока, сетевых фильтров, EMI/RTF фильтров, дроссельных фильтров батарей высокомощных преобразователей низкого напряжения. Также эти сердечники хороши для импульсных трансформаторов и трансформаторов строчной развертки.

5. Optilloy™: порошковый материал, приготовленный из сложного сплава.
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 40, 60, 75, 90 и 125.
Характеристики:
– высокая индуктивность насыщения
– приемлемые удельные потери на частотах до 200 кГц
– отсутствие температурного старения
– возможность изготовления сердечника тороидальной формы с размерами до 154 мм

6. Iron powder: материал на основе распыленного порошкового железа.
Сердечники из порошкового железа производятся из 99+% чистого железа, имеющего форму очень маленьких частиц. Поскольку частицы разделены воздушным промежутком (так же, как и изолирующим и связующим материалами), в системе создается распределенный воздушный зазор. Хотя у железа и относительно высокая проницаемость, из-за использования сырых материалов, готовый сердечник имеет максимальную проницаемость в районе 90.
По проницаемости сердечники из порошкового железа можно разделить на три категории: высокая, средняя и низкая.
Категория высокой проницаемости от 60 до 90 используется в основном в EMI фильтрах и фильтрах накопления энергии. Эффективный частотный диапазон – до 75 кГц.
Сердечники из порошкового железа со средней проницаемостью от 20 до 50 используются в RF трансформаторах, чистых индуктивностях и индуктивностях накопления энергии. Эти материалы используются для частот от 50 кГц до 2 МГц. Они могут выдерживать более высокие плотности потока и уровни мощности без насыщения, чем их ферритовые двойники. Семейство порошкового железа становится более привлекательным для производителей переключаемых источников питания по мере того, как номинальные рабочие частоты попадают в диапазон от 250 кГц до 1 МГц.
Сердечники из порошкового железа с низкой проницаемостью используются почти исключительно в RF диапазоне. Обычное применение – RF трансформаторы и чистые индуктивности в диапазоне от 2 МГц о 500 МГц. В некоторых радарах используются сердечники из порошкового железа на частотах более 2 ГГц. Хорошие характеристики потока вместе с низкими потерями и хорошей температурной стабильностью делают этот тип сердечников наиболее используемым для применения в промышленности связи.
Многосторонность технологии прессования порошкового железа допускает множество вариантов форм и размеров. Ограничения связаны только с сегодняшней технологией прессования порошков металлов. Большинство материалов из порошкового железа могут быть легко отшлифовано и обработано для придания нужной формы.