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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Anwendung kleiner geräuschunterdrückender Magnetkerne aus amorphen Metalllegierungen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Vor einem Drittel eines Jahrhunderts zeigten Experimente zur schnellen Abkühlung von Metallschmelzen, die mit dem Ziel durchgeführt wurden, eine submikroskopische Struktur des Metalls zu erhalten, dass in einigen Fällen überhaupt kein Kristallgitter im Metall vorhanden ist und die Die Anordnung der Atome ist charakteristisch für einen strukturlosen, amorphen Körper. Es stellte sich heraus, dass das amorphe Metall völlig andere Eigenschaften hat als das kristalline Metall. Es wird um ein Vielfaches stärker, seine Korrosionsbeständigkeit steigt, seine elektromagnetischen Eigenschaften ändern sich und sogar eine der stabilsten Konstanten – der Elastizitätsmodul – ändert sich. Amorphe Legierungen werden metallische Gläser genannt. Das Interesse an ihnen wächst rasant. Die Forscher interessierten sich zunächst für die ferromagnetischen Eigenschaften von Legierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis, die höher ausfielen als die von Permalloy und zudem stabiler waren. Heute werden wir über einige Anwendungsbereiche von Magnetkernen aus amorphen Metalllegierungen sprechen. Magnetkerne aus amorphen Metalllegierungen werden aus dünnen (durchschnittlich 25 Mikrometer) Bändern gewickelt (Abb. 1). Durch die Auswahl des Materials und des Wärmebehandlungsmodus können einzigartige Eigenschaften erzielt werden, die für die spezifische Anwendung des Produkts optimal sind.
Das angegebene Fragment des Funktionsdiagramms des Konverters zeigt vier Arten von Magnetkernen (siehe Werbung der Firma Mstator auf Seite 33): 1 – für Leistungsfaktorkorrektoren. Aufgrund der hohen Sättigungsinduktion (1,45 T), geringer Verluste und der Fähigkeit, bei erhöhten Temperaturen zu arbeiten, ermöglicht der Einsatz solcher Magnetkerne eine Reduzierung der Größe und des Gewichts des Geräts; 2 - Ringkern mit Sättigungsmodus für Magnetverstärker (Magnetschlüssel). Diese Magnetkerne haben einzigartige Eigenschaften: hoher Rechteckigkeitskoeffizient der Hystereseschleife (0,96...0,98), geringe Verluste und niedrige Koerzitivkraft bei hohen Frequenzen. Eine typische Anwendung von Magnetschaltern sind Mehrkanal-Stromversorgungen, bei denen die Rückmeldung an den PWM-Regler von einem der Ausgänge erfolgt und die Spannungsstabilisierung in den übrigen Kanälen durch den Einsatz von Magnetschlüsseln gewährleistet wird. Dieses Netzteildesign eliminiert die Abhängigkeit der Spannung in einem der Kanäle vom Lastniveau der anderen, erhöht die Stabilität, reduziert die Welligkeit der Ausgangsspannung und erleichtert die Implementierung einer separaten externen Steuerung und eines separaten Stromschutzes von Kanälen mit unterschiedlichen Schwellenwerten . Ähnliche Magnetkerne werden auch zur Stabilisierung des Ausgangsstroms beispielsweise in Ladegeräten eingesetzt. Darüber hinaus können diese Produkte die Effizienz und Zuverlässigkeit des Geräts steigern; 3 – Geräuschunterdrückung. Sie werden häufig mit einer Wicklung mit einer Windung verwendet: Sie werden einfach auf den Anschluss eines Elements gesteckt – einer Diode, eines Transistors. Solche Magnetkerne sorgen für eine wirksame Unterdrückung von Funkstörungen und eine Reduzierung hochfrequenter Welligkeiten in der Ausgangsspannung; 4 – kleiner Ringkern für Leistungsdrosseln (Induktoren). Diese Magnetkerne zeichnen sich durch eine hohe Gleichstromvorspannung bei gleichzeitig hoher Permeabilität aus. Sie verfügen über eine hohe Sättigungsinduktivität (1,45 T) und geringe Verluste, ermöglichen eine Reduzierung der Geräteabmessungen und ermöglichen einen Betrieb mit einer höheren Gleichstromvorspannung als bei Verwendung von Magnetkernen aus herkömmlichen Materialien. Darüber hinaus werden Magnetkerne aus amorphen Metalllegierungen in Gleichtaktfiltern von Schaltnetzteilen eingesetzt. Dabei kommen Materialien mit schmaler Hystereseschleife, hoher anfänglicher magnetischer Permeabilität (bis zu 150000) und geringen Verlusten bei hohen Frequenzen zum Einsatz. Um die erforderliche Induktivität zu erreichen, ist eine geringe Anzahl von Windungen erforderlich, was neben der Reduzierung der Abmessungen auch eine geringe parasitäre Wicklungskapazität und einen hohen Unterdrückungskoeffizienten für Gleichtaktstörungen gewährleistet. Als nächstes werden wir näher auf die Verwendung von Miniatur-Magnetkreisen zur Rauschunterdrückung eingehen. Diese Produkte verhindern schnelle Änderungen des elektrischen Stroms, die andernfalls elektrisches Rauschen und Störungen verursachen würden. Im Gegensatz zu anderen Methoden beseitigt diese Methode die eigentliche Ursache der Störung. Aufgrund der rechteckigen Form der Hystereseschleife weisen die Entstörmagnetkreise im Moment des Stromnulldurchgangs eine sehr hohe Induktivität auf, wodurch schnelle Stromänderungen wirkungsvoll gedämpft werden. Nach Erreichen des Nennstroms ist der Magnetkreis gesättigt, seine Induktivität nimmt ab und beeinträchtigt den Betrieb des Gerätes nicht. Beispielsweise reduzieren solche Produkte auf einfache und wirksame Weise das Rauschen, das durch den Rückstrom in Halbleiterschaltelementen beim Ausschalten verursacht wird. Single-Turn-Rauschunterdrücker (basierend auf zylindrischen Magnetkernen) sind so konzipiert, dass sie für den Einsatz mit einer Single-Windung-Wicklung optimiert sind, bei der es sich normalerweise um die Komponentenleitung handelt. Sie werden vor der Montage auf der Leiterplatte auf den Anschluss des Elements (Transistor, Diode) aufgesetzt (Abb. 2).
Geräte zur Rauschunterdrückung mit mehreren Windungen („Spike-Killer“) sind kleine Sättigungsmagnetkreise mit einer Wicklung aus mehreren Windungen. Der Vorteil der beschriebenen Geräte gegenüber anderen Methoden ist ein höherer Wirkungsgrad (durch Beseitigung der Störursache – schnelle Stromänderungen), geringere Verluste (Gesamtverluste sind insbesondere bei hohen Frequenzen geringer als bei einer herkömmlichen RC-Schaltung). ), spart Platz auf der Leiterplatte (passt direkt auf Halbleiteranschlüsse, ohne dass zusätzlicher Platz auf der Leiterplatte benötigt wird). Diese Klasse von Magnetkernen wird häufig in Schaltnetzteilen, DC/DC-Wandlern, Steuergeräten für Elektromotoren, Schalthalbleiterbauelementen und kleinen Gleichtaktfiltern verwendet. Zusätzlich zur Störunterdrückung werden Störunterdrückungsdrosseln zum Schutz von Halbleitern eingesetzt, indem sie potenziell gefährliche Spannungsspitzen eliminieren. Das Funktionsprinzip des geräuschunterdrückenden Magnetkreises ist in Abb. 3.
Während des Fließens von Gleichstrom (Bereich „I“ in Abb. 3, a) ist der Magnetkreis gesättigt und seine Magnetisierung bleibt nahezu konstant (Bereich „G“ in Abb. 3, b), sodass der Induktor eine sehr niedrige Induktivität. Wenn nach dem Abschalten der Durchlassstrom der Diode abnimmt, ist der Magnetkreis immer noch gesättigt und die Induktivität der Induktivität ist immer noch klein (Bereich „II“ in Abb. 3). Der Diodenstrom nimmt weiter ab und ändert seine Richtung (Bereich „III“ in Abb. 3a). Die Sperrverzögerungszeit der Diode ist durch einen hohen di/dt-Wert gekennzeichnet, der die Hauptursache für Störungen darstellt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt sich der Magnetkreis umzumagnetisieren (Bereich „III“ in Abb. 3b), die Induktivität der Induktivität nimmt schnell zu, was zu einer Verringerung des Sperrstromstoßes der Diode führt. Wenn die Diode schließt, bleibt der Magnetkreis praktisch im entmagnetisierten Zustand (Bereich „IV“ in Abb. 3). Sobald der nächste Impuls eintrifft, schaltet sich die Diode wieder ein und der Magnetkreis gelangt aufgrund der Magnetisierung schnell in die Sättigung (Bereich „V“ in Abb. 3) und der oben beschriebene Vorgang wiederholt sich. In Abb. Abbildung 4 zeigt Beispiele für den Einsatz von entstörenden Magnetkernen (entstörende Drosseln sind rot hervorgehoben, Speicherdrosseln auf Basis von MD-Magnetkernen aus einer amorphen Legierung mit DC-Bias-Modus sind gelb hervorgehoben): a - Impulsstabilisator ; b - Gegentaktwandler; c – Sperrwandler; g - Steuergerät des Elektromotors; d – Vorwärtswandler; e - Brückeneinheit zur Steuerung des Elektromotors.
In Abb. Abbildung 5 zeigt vergleichende Oszillogramme, die die Vorteile von Rauschunterdrückungsgeräten aus amorphen Metalllegierungen am Beispiel eines Durchflusswandlers deutlich machen: a, b - Ausgangsspannungspulsationen, Frequenz f = 150 kHz, Ausgangsspannung Uout = 15 V, Laststrom IN = 10 A: a – Amplitudenwelligkeit 67 mV (RC-Kreis und Ferrit-Magnetkern), b – Pulsationsamplitude 45 mV (MP4-2-4.5AP); c, d - Spannung am Gleichrichtereingang (oben - Spannung an der Anode der Diode, unten - Strom durch die Diode), f = 500 kHz, Uout = 5 V, lH = 20 A: c - ohne Verwendung von Dämpfung Maßnahmen, d - MP4- 2-4.5; d, f – Spannung am Schalt-MOSFET-Transistor, Frequenz 250 kHz: d – maximale Spannung 715 V (Ferrit-Magnetkern 4-2-4), f – maximale Spannung 690 V (MP4-2-4.5); g, h – entsprechende d, f Welligkeit der Wandlerausgangsspannung, f = 250 kHz, Uout = 5 V, 1n = 15 A: g – Pulsationsamplitude 140 mV (Ferrit und Magnetkern 4-2-4), h – Welligkeitsamplitude 87 mV (MP4-2-4.5).
In der Tabelle Tabelle 1 enthält allgemeine Empfehlungen für die Auswahl rauschunterdrückender Magnetkreise, die in gepulsten Quellen verwendet werden. Nach Festlegung der Gruppe wird anhand der folgenden Verhältnisse ein konkreter Nennwert ausgewählt.
Um den vorderen Rückstrom der Diode bei Verwendung von Single-Turn-Geräten effektiv zu unterdrücken, muss die Bedingung 2Фm≥(Ucxtrr) erfüllt werden, wobei 2Фm der maximale (doppelte Spitze-Spitze-)Fluss im Magnetkreis, Wb, ist ; Uc – Sperrspannung an der Diode, V; trr ist die Sperrerholungszeit der Diode, s. Betrachten Sie als Beispiel eine Entlade-(Schalt-)Diode (Abb. 4e) eines Durchflusswandlers mit einer Ausgangsspannung von 12 V. Die Sperrverzögerungszeit der Diode beträgt 35 ns, das Tastverhältnis beträgt 0,3 (30 %). Laut Tabelle 1. Wählen Sie einen zylindrischen rauschunterdrückenden Magnetkreis. Dann berechnen wir die rechte Seite des Ausdrucks: 2Фm≥((12/0,3)х35х10-9)=1,4 мкВб. Vom Tisch 2 wählen wir den kleinsten Magnetkern, der diese Bedingung erfüllt – MPZx2x4.5AP.
Bei Multiturn-Geräten die Bedingung (2ФmxAw)≥(1,5Ucxl0xtrr), wobei 2Фm der maximale magnetische Fluss im Magnetkern ist, Wb; Аw ist die Fläche des Fensters (Wicklung) entlang des Innendurchmessers des Magnetkreiskörpers, mm2; Uc – Spannung am Element, V; l0 - Elementstrom, A; trr – Reverse-Recovery-Zeit, s. Betrachten Sie als Beispiel die Entladediode (Schaltdiode) eines Durchflusswandlers mit einer Ausgangsspannung von 24 V und einem Laststrom von 2 A. Die Sperrverzögerungszeit der Diode beträgt 60 ns, das Tastverhältnis beträgt 0,3 (30 %) . Laut Tabelle 1 Wählen Sie einen Induktor mit mehreren Windungen. Dann berechnen wir die rechte Seite des Ausdrucks: (2ФmxAw≥(1,5х(24/0,3)х2х60х10-9)= =14,4 мкВб·мм2 . Vom Tisch 3 wählen wir den kleinsten Magnetkreis aus, der diese Bedingung erfüllt – MN080704.5A.
Der Durchmesser des Drahtes (in mm) und die Windungszahl der Wicklung für den gewählten Magnetkreis werden nach folgenden Verhältnissen berechnet: dnp≥(0,5√I0 = 0,7 mm; N≥(3Ucxtrr/(2Фm))=(3x(24/0,3)x60x10-9 /(1,96х10-6))=7,35 витка. Wir wählen einen ganzzahligen Wert N=8 Umdrehungen. Die endgültige optimale Wahl einer Störunterdrückungsdrossel erfolgt im Praxistest an einem realen Gerät. Indikative Empfehlungen für die Verwendung zylindrischer rauschunterdrückender Magnetkreise sind in der Tabelle aufgeführt. 4 (für Vorwärtswandler) und in der Tabelle. 5 (für Sperrwandler).
Autor: E. Fochenkov, Borovichi, Gebiet Nowgorod
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