Ферити та вироби з них

Ферит - це магнітний матеріал, який складається з подвійних окислів заліза Fе, нікелю Ni, марганцю Мп, цинку Zп, кобальту Со, літію Li, свинцю РЬ та інших матеріалів.

Загальна формула фериту має такий вид:

МОFе₂О₃

де М- умовне позначення двовалентного металу.

Вони мають великий питомий опір р=10 Ом-см, тому втрати на вихрові струми малі, а робоча частота велика; часова стабільність магнітної проникності фериту знаходиться у межах у = (0,5...0,75)%, відносний температурний коефіцієнт магнітної проникності приймає значення до а_іи= +30-10"⁶.

Ферити мають значну залежність від температури. Робочу температуру обирають ту, що відвідає значенню //_п яке складає 80% від номінального (при 20 °С).

З феритів виготовляються осердя - магнітом'які, магнітотверді, магнітострикційні, з прямокутною петлею гістерезису, надвисокочастотного діапазону, головки магнітні, сфери із монокристала, пристрої пам'яті.

Магнітотверді матеріали.

До магнітотвердих матеріалів відносяться:

- карбонова сталь;

- вольфрамова та хромова сталь;

- кобальтова сталь;

- оксидно - барієві магніти;

- альні, альнісі, альніко, магніко.

Отримують їх із заліза Fе, легованого домішками після термічної обробки. Ці матеріали мають велику коерцитивну силу H_с, що забезпечує велику максимальну енергію магнітного поля.

Склад та властивості магнітотвердих матеріалів наведено в табл. 3.

 

Таблиця З.

 

 

 

Назва магнітотвердих матеріалів	Склад	Властивості
карбонова сталь	Fе, до 1,7%Sі	Підвищена крихкість, не допускає перегрівання
вольфрамова та хромова сталь	FеW,FeCr	Великі магнітні властивості, легко обробляється
кобальтова сталь	40% Fе; 7%W0	Стала до температурних впливів, допускає переги­нання
оксидно барієві магніти	FеО3 ВаО	Мають велику коерцитивну силу Нс, сталі проти розмаг­нічування, невелика вартість
альні	Fе, АІ, Ni	Велика коерцитивна сила Hс
альнісі	Fе, АІ, Nі, Sі
альніко	Fе, АІ, Ni, Со, Сu
магніко	Fе, Мg, Ni,Со, Сu (після термічної оборобки)

 

- відносний тангенс кута втрат в діапазоні до 0,1 МГц і H =0,1 е;

- коефіцієнт прямокутності К_п= 0,5...0,8.

Магнітотверді феритові осердя (магніти).

Мають велику магнітну енергію та велику силу Н_с (до 2500е). Петля гістерезису може бути пологою або крутою.

Магніти з пологою петлею гістерезису мають малу залежність µ від H і застосовуються для виготовлення магнітних стрічок систем магнітного запису та відтворення звукових і відеосигналів, а також в електромеханічних фільтрах.

Магніти з крутою петлею гістерезису застосовуються для виготовлення постійних магнітів, телефонної апаратури, побутових мікрохвильових пічок, систем відхилення в телевізорах, головок стирання відеомагнітофонів, динамічних гучномовців, акустичних перетворювачів, збудження електричних двигунів постійного струму, магнітострикційних та електромеханічних фільтрів.

Основними параметрами магнітів є:

- максимальне значення добутку магнітної індукції та напруженості магнітного поля (В·Н)макс;

- залишкова магнітна індукція В_r;

- коерцитивна сила по індукції В_c;

- коерцитивна сила по напруженості Н_c.

Магніти виготовляються на основі барію (Ba) і можуть бути анізотропні (БА) і ізотропні (БІ). Анізотропні ферити зберігають орієнтацію часток феромагн етика і не бояться вібрацій, ударів, стійкі до впливу зовнішніх магнітних полів.

До позначень магнітотвердих феритів входять:

- літера М;

- число - доданок (B·H)_{мак с};

літера - матеріал фериту (СА - стронцієвий анізотропний, БА - барієвий
анізотропний, С - стронцієво-барієвий);

- число - коерцитивна сила намагнічування;

- число - номер за порядком.

Приклад: М28СА250 - 4: ферит (B·H) _макс = 28 кДж/м², стронцієвий анізотропний, з коерцитивною силою 250 кА/м, з номером за порядком - 4.

Спеціальні магнітні матеріали

До спеціальних магнітних матеріалів відносяться: матеріали з прямокутною петлею гістерезису (ППГ), магнітострикційні матеріали та термомагнітні матеріали.

Матеріали з прямокутною петлею гістерезису - це матеріали зі специфічною формою петлі гістерезису, яка близька по формі до прямокутної.

Крім спільних магнітних характеристик вони характеризуються слідуючими:

коефіцієнт прямокутності - представляє собою відношення залишкової індукції В_r до максимальної B _mах:

коефіцієнт переключення S_q - численно рівний кількості електроенергії, яка проходить через одиницю товщини сердечника і яка необхідна перемагнічування його із одного стану в інший; інколи вимірюється по напруженості поля;

малий час перемагнічування;

висока температурна стабільність.

Лекція № 7.

Тема 5. Діелектричні матеріали

План лекції:

1. Загальні відомості про катушки індуктивності.

2. Параметри катушок індуктивності.

3. Каркаси, обмотки, сердечники, екрани.

4. Трансформатори

Література до вивчення лекції:

1. Пасинков В.В., Сорокин В.С. Материалы електронной техники. – М.: Высш. Школа, 1986, с. 90-98, 133-156

2. Рычина Т. А., Зеленский А. В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. М.: Радио и связь, 1989

1. Загальні відомості про катушки індуктивності.

 

Котушки індуктивності являються комплектуючими виробами, як, наприклад, резистори та конденсатори. Вони виготовляються на радіозаводах і мають ті параметри, які необхідні для конкретних виробів.

Із-за труднощів мікромініатюризації, поганої повторюваності характеристик та параметрів, високої трудоємності виготовлення – область їх застосування обмежена. Однак при створенні цілого ряду пристроїв електроніки обійтись без них поки що неможливо, тому значення функцій, які котушки індуктивності вносять в схеми, їх характеристик та параметрів, які являються необхідними для цілісного сприйняття роботи електронного пристрою.

Котушка індуктивності – це радіодеталь електронної апаратури, здатна запасати електромагнітну енергію і призначена для використання її індуктивності.

Конструктивно, котушка індуктивності складається з обмотки, яка намотується на каркас з ізоляційного матеріалу; вона може мати феромагнітне осердя. В деяких котушках застосовується і феромагнітний настроювач, який змінює індуктивність у невеликих межах. Іноді застосовується електромагнітний екран. Індуктивність котушки визначається відношенням потокозчепленням самоіндукції Ф обмотки до струму I через неї:

Струм, який проходить через котушку приводить до появи ЕРС самоіндукції Е. Її значення залежить від індуктивності.

.

З цієї формули, можна визначити індуктивність як фізичну величину, яка чисельно дорівнює ЕРС самоіндукції, якщо струм обмотки змінюється на 1А за 1с.

Іноді індуктивність визначають і з формули реактивного опору змінному струму, який діє в обмотці.

Індуктивність котушки залежить від її геометричних розмірів, властивостей осердя та кількості витків:

де μ; – магнітна проникність осердя;

D – діаметр котушки (см);

W – кількість витків;

L – довжина котушки (см);

Котушки індуктивності застосовуються у коливальних контурах підсилювачів та генераторів, у фільтрах, для зв’язку між ланцюгами через магнітний потік, в кабелях зв’язку.

Класифікація котушок індуктивності.

Котушки індуктивності діапазону радіохвиль класифікуються за різними ознаками.

 

За частотним діапазоном вони розділяються на котушки надвисокохвильові, короткохвильові, середньохвильові та довгохвильові.

В залежності від призначення - на контурні (для коливальних контурів), зв'язку (які передають електромагнітні коливання з одного контуру до другого), дроселі високої частоти (які загороджують шлях високочастотному струму).

За можливістю зміни індуктивності - на котушки з постійною та змінною індуктивністю (варіометри).

За конструктивними ознаками - на котушки циліндричні, кільцеві, спіральні, броньові, одношарові та багатошарові, з осердям та без осердя, із каркасом та без каркаса, з екраном та без екрана.

На принципових схемах прийняті такі умовні позначення котушок (рис.2): а - котушка або дросель без осердя; б - котушка з відводом; в - котушка з феромагнітним осердям; г - котушка з підстроювачем з феромагного матеріалу.

 

 

Рис.6. Умовні позначення котушок індуктивності:
а) котушка з відводом; б) котушка з осердям;
в) котушка з підстроювачем і осердям; г)котушка без осердя;

2. Параметри котушок індуктивності

 

Властивості котушок індуктивності обумовлюються їх параметрами. До них належать:

- номінальна індуктивність та допуск;

- власна ємність;

- добротність;

- температурний коефіцієнт індуктивності

Номінальна індуктивність та допуск.

Номінальна індуктивність - це індуктивність, яка маркується на корпусі котушки або наведена у нормативної документації.

Одиницею вимірювання індуктивності є Генрі (Г) або міліГенрі (1мГ=10 Г), мікроГенрі (1мкГ=10 Г), наноГенрі (1нГ=10 Г).

Фактичне значення індуктивності котушки може відрізнятися від розрахункового (номінального) на значення допуску. Допуски котушок коливальних контурів лежать у межах (0.2...0.5)% і більше, а для котушок зв'язку, дроселів і інших, які працюють не на резонансних частотах - (10 - 15)%.

Власна ємність.

Між витками котушки індуктивності утворюється розподільна ємність, яку можна замінити зосередженою ємністю С , підключеною паралельно індуктивності. Цю ємність називають власною ємністю котушки. Її значення можуть бути до 50 нФ. Крім того, до власної ємності входять ємність між обмоткою, каркасом та осердям.

Наявність власної ємності погіршує параметри котушки (знижує добротність, температурну стабільність). Тому при конструюванні котушки намагаються зменшити її власну ємність. Це досягається застосуванням спеціальних обмоток та каркасів із малими діелектричними втратами та застосуванням спеціальних конструкцій.

Повний опір.

Активний опір котушки складається з опору проводу обмотки (R ) та опору втрат (R ) в осерді, корпусі та екрані, які вносяться до обмотки.

Тоді:

Через котушку часто проходить одночастотний постійний та змінний струми, тому опір проводу буде мати дві складові: опір постійного струму R та опір змінного струму R :

Відомо, що опір прямолінійного проводу змінного струму вище його опору постійного струму. Це пояснюється тим, що під впливом власного магнітного поля в провіднику виникають індукційні струми, взаємодія яких з основним струмом приводить до нерівномірного розподілу струму по перетину проводу: щільність струму в вищих шарах провідника зростає, а у внутрішніх – спадає, тобто струм витискається з середини до поверхні проводу. Це явище називається поверхневим ефектом.

Поверхневий ефект зростає із зростанням частоти. Найбільший вплив на опір має поверхневий ефект на надвисоких частотах. Тут велике значення має шорсткість поверхні провідника, яка збільшує довжину шляху струму.

У спіральній обмотці під впливом магнітного поля контуру виникають індукційні струми, які теж приводять до зміни розподілу щільності струму.

У перетині проводу найбільша щільність струму буде в областях перетину, що розміщені більш до середини котушки. Це явище зветься ефектом близькості.

Обидва явища (поверхневий ефект та ефект близькості) приводять до зменшення ефективного січення проводу, а значить до збільшення його опору.

Таким чином, активний опір котушки змінного струму R дві складові:

де - опір за рахунок поверхневого ефекту;

- опір за рахунок ефекту близькості;

Тоді формулу активного опору проводу можна записати:

а загального активного опору:

Добротність.

Добротність котушки індуктивності Q , пов’язана з втратами енергії і знаходиться як відношення її індуктивного опору

до активного опору R на заданій частоті: 60...400.

При конструюванні котушок індуктивності намагаються отримати її максимальну добротність. Це досягається збільшенням діаметра котушки індуктивності:

- застосуванням багатожильного проводу (літцендрату);

- застосуванням проводу з оптимальним діаметром (до 1,5 мГц);

- зменшенням шорсткості поверхні проводу й нанесенням на нього шару срібла (Ag) (на надвисоких частотах для зменшення /R_пе);

- застосування каркасу з Ізоляційних матеріалів Із малими втратами;

- застосуванням осердя з високочастотного феромагнітного матеріалу (карбонільного заліза, фериту), який дозволяє отримати задану індуктивність при меншій довжині проводу;

- обранням оптимального частотного діапазону.

 

Температурна стабільність

Зворотні температурні зміни індуктивності визначаються температурним коефіцієнтом індуктивності, тобто відносною зміною індуктивності при зміні температури на 1 С:

, 1/ С

де та - індуктивності при температурах та відповідно.

Температурна нестабільність індуктивності пов’язана зі зміною діаметра та довжини котушки, а також із зміною магнітної проникності осердя при зміні температури.

Стабільність визначає відносну стабільність параметрів котушки під дією зовнішніх факторів. Її вплив проявляється при зміні параметрів матеріалів та розмірів котушки, тому дуже важливе значення має правильний вибір матеріалу, конструкції та технології виготовлення.

Діапазон регулювання індуктивності являється важливим фактором, який визначає можливості зміни індуктивності котушки. Визначається коефіцієнтом перекриття:

.

Його значення не перевищує 10. В даний час застосовуються слідуючі способи регулювання індуктивності котушок:

- введенням в котушку немагнітного електропровідникового елемента;

- введенням зазору в магнітопроводі;

- зміною магнітопроникності магнітопроводу шляхом його підмагнічування постійним струмом або постійним магнітом;

- переміщенням витків або секцій котушки та перестановкою виводів.

3. Обмотки, осердя, екрани, каркаси котушок індуктивності

 

Провід укладений визначним способом, називається обмоткою. Технологічний процес укладання проводу називається намоткою. Намотка обмоток проводиться на спеціальних приладах або станках, які забезпечують отримання таких типів обмоток:

- одно або багатошарову, коли всі витки розміщені в один або декілька шарів;

- рядову, коли витки розміщені вздовж осі з кроком, якій дорівнює діаметру
проводу;

- довільну рядову;

- крокову, коли витки розміщені довільно на деякій відстані один від одного;

- універсальну, коли витки намотані під кутом до площини її розміщення на
каркасі мають різкий перебіг у торців;

- секційну, коли витки укладені групами вздовж осі котушки;

- спіральну, коли витки укладені у виді плоскої спіралі.

Крокова обмотка забезпечує малу власну ємність, що пов'язано зі зменшенням ємності між витками при збільшенні кроку.

Багатошарові обмотки забезпечують великі індуктивності котушок (до 500 мкГ). Але вони мають велику власну ємність (до 70 пФ), низьку добротність (20... ЗО) та малу температурну стабільність.

Зменшення власної ємності багатошарових котушок забезпечується секціюванням обмоток, а також застосуванням обмоток, намотаних "внавал" або універсальних. Секцінювання зменшує власну ємність до 10 пФ.

Малі значення власної ємності багатошарових котушок (5... 10 пФ) забезпечує універсальна обмотка. Котушки з універсальною обмоткою мають індуктивність до (400...500) мкГта добротності до 100.

Спіральні обмотки застосовуються на коротких та надкоротких хвилях. Вони мають малі розміри та малу власну ємність (до 2 пФ), але їх індуктивність також невелика (до 8-10 мкГ). Котушки без корпусів дозволяють отримати більшу добротність, але мають меншу температурну стабільність. Типи обмотувальних проводів котушок індуктивності наведені в шаблонах.

Типи магнітних осердь котушок індуктивності

Магнітне осердя - це деталь з феромагнітного матеріалу призначена для зосередження в ній магнітного потоку. Магнітні осердя застосовують у котушках індуктивності.

Осердя котушки індуктивності характеризуються еквівалентною (відносною) магнітною проникністю та коефіцієнтом використання магнітних властивостей.

Еквівалентна магнітна проникність - це відношення індуктивності котушки з осердям L_c до індуктивності цієї котушки без осердя L.

Коефіцієнт використання магнітних властивостей матеріалу осердя показує

наскільки еквівалентна магнітна проникність осердя менше початкової магнітної проникності матеріалу, із якого він виготовлений.

Найбільш розповсюдженими є циліндричні, броньові та кільцеві осердя. Циліндричні осердя виготовляються з карбонільного заліза та феритів. За конструкцією вони можуть бути стержневі, різьбові, трубчасті. Вони мають низький коефіцієнт використання магнітних властивостей, тому застосовуються в основному як підстроювачі індуктивності.

Броньові осердя (СБ та Б виготовляються з карбонільного заліза та мають більший коефіцієнт використання магнітних властивостей Κ_μ), застосовуються в контурних котушках індуктивності в діапазоні 0.1... 0.5 мГц.

Найбільший коефіцієнт Κ_μ мають кільцеві осердя, які виготовляються з карбонільного заліза, альсіферу, пермалою та фериту.

Крім того іноді застосовуються листові осердя типа Ш, Π, Ε, Γ.

Введення в котушку магнітного осердя змінює її основні параметри:

- збільшує індуктивність L;

- збільшує власну ємність С ;

- знижує температурну стабільність;

- змінює добротність Q.

Зростання індуктивності котушки з осердям магнітного потоку, оскільки він зосереджується в осерді.

Зростання власної ємності котушки (в 1.5... 3 рази) пов'язано з появою додаткової ємності між обмоткою та осердям.

Формула температурного коефіцієнта індуктивності котушки з осердям має вигляд:

,

де - температурний коефіцієнт котушки без осердя;

- температурний вплив осердя.

Добротність котушки з осердям знаходиться за формулою:

,

де - опір проводу;

- опір втрат, які вносяться корпусом;

- опір втрат, які вносяться матеріалом осердя.

Немагнітні осердя виготовляються з міді (Cu) або латуні. Такі осердя можна уявити як короткозамкнутий виток, який індуктивно зв’язаний з котушкою. В ньому, під дією магнітного поля котушки виникають вихрові струми, електромагнітне поле яких направлене проти основного поля. Це ослаблює основне поле, що приводить до зменшення індуктивності та добротності котушки. Крім того, немагнітне осердя зменшує добротність котушки завдяки збільшенню опору, який вноситься в котушку.

Для підстроювання індуктивності котушки немагнітні осердя застосовуються в короткохвильовому та ультра хвильовому діапазоні.

Каркаси

Як правило, каркаси виготовляються із пластмаси, мають циліндричну форму із фланцями або секціями. В якості матеріалу для каркасу використовується кераміка, поліетилен, полістирол. По формі частіше за все гладкі циліндричні, рідше нарізні та ребристі каркаси дають можливість зменшити особисту ємність котушки до 0,5 пФ.

Прецизійні котушки дуже високої стабільності виконують на каркасах із спеціальних високостійких матеріалів (кераміка та плавлений кварц).

Найбільш високоточні котушки індуктивності отримують при виконанні струмопроводів у пазах. Для мініатюрних вузлів РЕА застосовують мікромодульні та котушки індуктивності у виді плоских багатовиткових спіралей.

Варіометри

Варіометри –це котушки зі змінною індуктивністю, які застосовуються для плавного регулювання індуктивності коливальних контурів. Це може здійснюватися:

- плавною зміною кількості витків рухомим контактом;

- зміною взаємної індуктивності між сусідніми котушки;

- переміщенням магнітного або немагнітного осердя всередині котушки.

Основним параметром варіометра є коефіцієнт перекриття по індуктивності,

,

де і - максимальна й мінімальна індуктивності відповідно.

Коливальні контури оцінюються коефіцієнтом перекриття діапазону, який є відношенням максимальної та мінімальної частоти. Неважко довести, межі перенастроювання контуру зв’язані з межами зміни ємності або індуктивності таким співвідношенням:

.

У варіометрах зі змінною кількістю витків зміна індуктивності здійснюється шляхом закорочення частини витків контактом, який ковзає вздовж обмотки котушки.

Варіометри із змінною індуктивністю, складаються з двох котушок, одна з яких обертається відносно другої.

Варіометри з магнітним осердям мають нерухому котушку, всередині якої переміщується осердя з карбонільного заліза або фериту.

Екранування котушок індуктивності.

Для зменшення паразитних зв’язків між котушками індуктивності та іншими елементами апаратури застосовують електромагнітні екрани.

Поле котушки приводить до появи вихрових струмів у металевому екрані, які утворюють власне поле, напрям якого протилежний напряму поля котушки. Суттю електромагнітного екранування є компенсація полем вихрових струмів поля котушки або зовнішнього поля. Але застосування екранів зменшує індуктивність котушки на 10...20%, збільшує власну ємність на 10...30%, збільшує втрати та знижує індуктивність.

Надійність котушок індуктивності

Характерними видами відмов котушок є:

- перегорання та обрив обмоток, обумовлені перегрівом;

- пробій ізоляції обмотки на корпус, між витками та обмотками при великих напругах;

- замкнення між витками та обмотками при старінні ізоляції обмотувальних проводів;

- вихід параметрів котушки за межі норм при впливі температури, вологи, електричних та механічних навантажень.

Найбільша кількість відмов пов’язана з одночасним впливом вологи та підвищеної температури. Циклічна деформація конструкції й різниця температурних коефіцієнтів матеріалів, приводять до появи тріщин та раковин, в які попадає волога. Протікання вологи зменшує опір ізоляції між витками завдяки виникненням електролітичних процесів, які руйнують ізоляцію. При цьому змінюється індуктивність та добротність котушки.

В котушках із магнітними осердями параметри виходять за межі норм завдяки старінню феромагнітного матеріалу, зміни його магнітної проникності та збільшенню втрат.

Збільшення надійності котушок досягається завдяки:

- захисту котушки від проникнення вологи пропиткою та герметизацією;

- додержання нормативних умов експлуатації.

Інтенсивність відмов котушки:

,