Frequência de rádio <10MHz
Pós de ferro por radiofrequência (RF)Pós de ferro para conversão de energia (PC)Pós de ferro de filtro de linha (LF)
Núcleos de pó de gap distribuído tornaram-se uma solução preferida por engenheiros de RF que estão projetando indutores ou transformadores para lidar com energia na faixa de frequência de 250 kHz a 5 MHz. O air-gap distribuído dos núcleos de pó contribui para sua permeabilidade relativamente baixa e estabilidade muito boa. Em aplicações envolvendo sinais de baixo nível, a escolha do tamanho do núcleo, material e enrolamento é normalmente baseada em Q e/ou requisitos de embalagem necessários.
Núcleos de pó de ferro são comumente escolhidos para produzir indutores e transformadores de alto Q para circuitos seletivos.
Transformadores de banda larga de baixo nível e indutores de RF são comumente construídos em núcleos de ferrite de alta permeabilidade. Ferrites são um composto ferromagnético cerâmico metálico com uma estrutura cristalina de espinélio. Núcleos de ferrite têm maior permeabilidade do que núcleos de ferro ou pó de liga, mas são menos estáveis. Um equívoco comum é que a saturação do núcleo é o principal fator limitante na seleção de um núcleo para aplicações de energia de RF. Embora seja necessário determinar quanta queda de tensão ou fluxo de corrente um determinado indutor ou transformador pode suportar antes que um limite seja atingido, esse limite será saturação magnética ou aumento excessivo de temperatura resultante de perdas de material de enrolamento (cobre) e núcleo. Saturação magnética é o ponto em que um aumento na força de magnetização não resulta em nenhum aumento adicional na densidade de fluxo. Isso implica que haverá uma perda de permeabilidade. Um indutor mostrará uma diminuição na indutância e um transformador mostrará uma diminuição na impedância e não transformará o sinal adicional. Pós de ferro carbonílico tipicamente atingem sua permeabilidade máxima em cerca de 3000 gauss e então começam a saturar. Eles atingem a saturação total em aproximadamente 10.000 gauss.
Com sinais de onda senoidal contínua, os núcleos de pó de ferro são limitados pelo aumento de temperatura resultante de perdas em vez de saturação magnética. O aumento de temperatura resulta de perdas tanto no enrolamento quanto no material do núcleo. Em alta frequência, a corrente transportada por um condutor tende a se concentrar perto da superfície. Isso é conhecido como "efeito pelicular". A profundidade da pele da corrente CA em um condutor de cobre em temperatura ambiente é descrita por: Profundidade da pele (cm) = 6,62 / f.5 onde f é a frequência em hertz. Por exemplo, a 1 MHz, um fio maior que #35 AWG não será totalmente utilizado e, portanto, mostrará uma resistência CA aumentada. Devido a isso, o uso de um grande número de fios finos isolados uns dos outros e entrelaçados pode ser útil para reduzir a resistência CA de condutores em alta frequência. Esse condutor é conhecido como fio litz. Os condutores litz práticos são muito eficazes em frequências abaixo de 500 kHz, mas começam a perder efeito acima de 3 MHz.
Perdas de enrolamento são uma consideração importante no projeto adequado de componentes magnéticos de alta potência. Mais informações sobre efeito pelicular e a resistência CA dos condutores podem ser encontradas no Radio Engineer's Handbook, bem como em várias outras referências.
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Radiofrequência >10MHz
Pós de ferro por radiofrequência (RF)Pós de ferro para conversão de energia (PC)Pós de ferro de filtro de linha (LF)
Enquanto em baixa frequência o campo magnético em uma bobina está em sua direção axial, em alta frequência, cada volta gera seu próprio campo concêntrico com o fio. Esses campos são acoplados com campos de voltas adjacentes e são acoplados ao núcleo por meio de campos axiais em vez de um campo central. Isso requer núcleos que produzem Q muito baixo em RF, como aqueles fornecidos por núcleos de lacuna distribuída de pó de ferro.
Pós de ferro carbonílico têm uma partícula que é formada pela decomposição do vapor de ferro pentacarbonílico. Isso produz uma partícula esférica com uma estrutura de casca de cebola. Esse efeito de laminação da casca de cebola produz resistividade de partículas individuais muito maior do que a do ferro puro. Essa alta resistência em conjunto com as partículas muito pequenas (3 a 5 mícrons) aumenta muito o desempenho de alta frequência. A permeabilidade dos pós de ferro carbonílico e, portanto, sua indutância podem ser fabricados com tolerância muito estreita e permanecer extremamente estáveis com frequência, temperatura e nível de sinal aplicado. Tudo isso é importante em circuitos seletivos de alto Q. A característica de entreferro distribuído do pó de ferro carbonílico produz um núcleo com permeabilidades variando de 4 a 35. Esse recurso em conjunto com o alto ponto de saturação inerente do ferro torna muito difícil saturar em RF de alta potência. Normalmente, aplicações de alta potência são limitadas pelo aumento de temperatura devido à perda do núcleo.
Em aplicações de alta frequência, circuitos sintonizados com alto Q, alta permeabilidade não é tão importante quanto o Q atingível e boa estabilidade com condições ambientais e elétricas variáveis.
Em uma visão simplificada, Q = tanθ = ωL/R onde θ é o ângulo de fase, ωL é a reatância indutiva e R é a resistência efetiva em série. No caso de um indutor ideal, o ângulo de fase é 90° e o Q é infinito. Da mesma forma, um indutor com um Q de 1 tem um ângulo de fase de 45 graus e, portanto, seus elementos reativos e resistivos são iguais. AQ de 150 tem um ângulo de fase de 89,6 graus. Os fatores que compõem a resistência efetiva são bastante complexos. Eles envolvem as perdas do núcleo e do enrolamento.
As perdas do núcleo variam com o material, frequência, densidade de fluxo e tamanho do núcleo. As perdas do enrolamento envolvem resistência do fio, espira a espira e espira a núcleo. Efeitos capacitivos que são todos dependentes da frequência e do tamanho. Há análises rigorosas dessas inter-relações disponíveis, mas em geral são muito complexas para serem de muita utilidade prática quando se trata de projetar um indutor de alta frequência e alto Q. O Q ideal ocorrerá quando a perda combinada do núcleo for igual à perda total do enrolamento. Foi demonstrado por Legg que, em geral, o Q máximo atingível está diretamente relacionado ao tamanho físico de um núcleo para qualquer material dado. Também foi demonstrado que a frequência na qual esse Q máximo atingível ocorre é, em geral, inversamente proporcional à permeabilidade, ao tamanho do núcleo e à raiz quadrada da perda do núcleo.
Ao chegar ao melhor enrolamento para uma dada bobina, há dois efeitos básicos que reduzem Q a ser considerado: resistivo e capacitivo. A resistência do fio de cobre em frequência muito baixa é a mesma que sua resistência CC. A profundidade da pele de uma corrente CA é inversamente proporcional à raiz quadrada da frequência operacional. Assim, a resistência CA de um condutor é proporcional a f1/2. Por causa disso, a resistência aumentada devido ao efeito de pele começará a entrar em jogo em frequências mais altas para fios menores e em frequência relativamente baixa para fios grandes.
Como exemplo, o fio #30 começará a ver aumento de resistência tão baixo quanto 300kHz e o fio #40 é afetado em torno de 3MHz. Essa resistência é ainda maior no caso de bobinas enroladas devido ao efeito de proximidade de voltas adjacentes. Para ajudar a resistência CA de um condutor a se aproximar de sua resistência CC em frequência moderada, o fio Litz pode ser usado.
O fio Litz é formado por uma série de fios pequenos isolados conectados em paralelo nas extremidades e completamente entrelaçados. O entrelaçamento é essencial para que os vários fios compartilhem a corrente igualmente. Há uma diferença significativa entre o verdadeiro fio Litz e o fio trançado. O fio Litz prático é muito eficaz em frequências de até 1 MHz. À medida que a frequência aumenta, no entanto, os benefícios começam a desaparecer. Em frequências muito altas, a resistência reduzida devido ao fio trançado é mais do que compensada pelo acúmulo capacitivo entre os fios. Como a maior parte do trabalho em RF hoje é em frequências acima de 1 MHz, o uso do fio Litz se tornou bastante incomum.
Em um enrolamento, a autocapacitância que é construída é um resultado da capacitância espira a espira de fios adjacentes, bem como da capacitância espira a núcleo. A capacitância espira a espira é afetada pelo tamanho do fio, número de espiras e espaçamento e posicionamento das espiras. Em geral, os efeitos capacitivos em Q tornam-se cada vez mais importantes com a frequência ao quadrado (f²). Para uma bobina toroidal, um dos fatores mais importantes no controle do acúmulo capacitivo é limitar o enrolamento a uma única camada, uma vez que a autocapacitância de uma bobina toroidal varia com o número de camadas. É visto que a adição de até mesmo uma segunda camada parcial aumenta drasticamente a autocapacitância.
O pó de ferro é um material de núcleo bem adequado para indutores estáveis de alto Q a serem usados na faixa de frequência de 100 kHz a 200 MHz. Para um dado material, núcleos maiores produzem Q mais alto em frequência mais baixa e picos de Q em frequência mais baixa conforme as voltas são aumentadas - há uma frequência e enrolamento de otimização de Q. Para um dado tamanho de núcleo, o valor ótimo de Q é inversamente proporcional à permeabilidade.
Do ponto de vista do enrolamento, para ajudar a otimizar Q em baixa frequência (<500kHz), saiba que as perdas resistivas são dominantes e, portanto, o uso do fio Litz é vantajoso. Em frequências acima de 1MHz, as perdas devido a efeitos capacitivos começam a dominar e que a multicamada é muito prejudicial ao Q. Geralmente, pode-se considerar que uma única camada completa fornecerá o melhor resultado.
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Conversão de energia <1MHz
Pós de ferro para conversão de energia (PC)Pós de ferro por radiofrequência (RF)Pós de ferro de filtro de linha (LF)
Núcleos de pó com gap distribuído se tornaram a solução de material de núcleo mais comum para indutores em fontes de alimentação comutadas.
Pó de ferro é um dos materiais de núcleo mais comuns usados para produzir componentes magnéticos em fontes de alimentação de comutação atuais. É um dos materiais de núcleo menos caros disponíveis, comparável em custo ao Sendust.
Os núcleos de pó de ferro e pó de liga da Micrometals são pós especialmente formulados e produzidos a partir de partículas muito finas e isoladas que são comprimidas sob pressões extremamente altas para produzir um núcleo sólido. Este processo cria uma estrutura magnética com um entreferro distribuído. A alta densidade de fluxo de saturação inerente do ferro combinada com o entreferro distribuído produz um material de núcleo com alta capacidade de armazenamento de energia. O processo de compactação usado para produzir núcleos de pó de entreferro distribuído é adequado para fazer uma ampla variedade de configurações. Núcleos toroidais, núcleos E, núcleos U, Slugs e núcleos Bus-Bar estão todos disponíveis em pó de ferro ou liga.
Os núcleos de micrometais podem ser fornecidos em variações de altura não padronizadas de tamanhos existentes por meio de ajuste de prensa sem a necessidade de ferramentas separadas. Ferramentas personalizadas também podem ser criadas para produzir formas altamente personalizadas com um custo típico de US$ 1.500 por polegada para a dimensão principal. Os núcleos de pó de lacuna distribuída podem ser produzidos com tolerâncias bastante rígidas, tanto física quanto eletricamente. Eles são bastante estáveis com a temperatura e toleram as tensões de encapsulamento com muito pouca alteração nas propriedades.
A quantidade de energia que um indutor armazena (em microjoules) é calculada multiplicando-se metade da indutância em microhenries pela corrente em amperes ao quadrado (1/2 LI^2 ). Essa energia é proporcional à densidade de fluxo operacional ao quadrado dividida pela permeabilidade efetiva sob essas condições (B^2 /ueff). No caso de materiais de núcleo de alta permeabilidade, como ferritas, ao introduzir um entreferro, uma permeabilidade significativamente menor é realizada. Isso aumenta as capacidades de armazenamento de energia do núcleo, permitindo que energia adicional seja armazenada no entreferro.
Projetos de indutores de armazenamento de energia serão limitados pela saturação magnética ou pelo aumento excessivo de temperatura resultante de perdas no enrolamento e no núcleo. No caso do pó de ferro, devido à permeabilidade razoavelmente baixa, propriedades de perda moderada no núcleo e características de saturação muito gradual; os projetos são quase sempre limitados pelo aumento de temperatura em vez da saturação magnética.
Ao selecionar o tamanho de fio necessário para lidar com uma determinada quantidade de corrente, formulações de "regra de ouro" baseadas em moinhos circulares por ampère são geralmente inadequadas. O aumento de temperatura da unidade enrolada resultante de perdas de cobre está diretamente relacionado ao tamanho do núcleo, tamanho do fio e natureza do enrolamento.
Embora existam muitas aplicações de indutores de saída CC que não têm conteúdo CA suficiente para gerar qualquer perda de núcleo apreciável, a maioria dos indutores de correção de fator de potência e indutores de CC de alta tensão e frequência precisam levar em conta a perda de núcleo. Além disso, projetos para indutores de modo diferencial de 60 Hz e indutores ressonantes CA são significativamente afetados pela perda de núcleo.
Perdas de núcleo são resultado de um campo magnético alternado em um material de núcleo. A perda gerada para um dado material é uma função da frequência operacional e da oscilação total do fluxo (∆B). As perdas de núcleo são devidas à histerese, correntes parasitas e perdas residuais no material de núcleo. O pó de ferro tem maior perda de núcleo do que alguns outros materiais de núcleo mais caros, e às vezes se tornará um fator limitante em aplicações com corrente de ondulação relativamente alta em frequência muito alta. Consequentemente, é importante ter um bom entendimento da avaliação adequada da perda de núcleo.
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Conversão de energia >1MHz
Conversão de energia (PC) Núcleos de pó de ferroPós de ferro por radiofrequência (RF)Núcleos de pó de ferro para filtro de linha
Indutores em topologias de reforço de correção do fator de potência não têm formas de onda simples de estado estacionário. Em vez disso, o sinal de alta frequência é tal que tanto a tensão de pico através do indutor (E) quanto o tempo "ligado" (t) estão constantemente mudando ao longo do período da frequência de linha fundamental (50 ou 60 Hz). A perda do núcleo neste caso será a perda do núcleo média do tempo dos pulsos individuais para o período da frequência de linha. A densidade de fluxo gerada depende dos volt-segundos por pulso, enquanto a perda do núcleo depende aproximadamente do quadrado da densidade de fluxo. Para estimar a perda do núcleo de alta frequência neste tipo de aplicação, é recomendado que o valor RMS de volts-segundos durante o período da frequência de linha seja aproximado. Isso fornecerá o valor da densidade de fluxo CA de pico a ser usado com as curvas de perda do núcleo. A frequência é a taxa de repetição do sinal de alta frequência. Além da perda do núcleo de alta frequência em um indutor de correção do fator de potência, a frequência de linha fundamental também gerará perda do núcleo. Essa perda também deve ser incluída ao determinar a perda total. Como a capacidade de um núcleo de dissipar calor (área de superfície) varia ao quadrado com seu tamanho, mas a geração de calor de um núcleo devido às suas perdas magnéticas varia ao cubo (volume) com seu tamanho, núcleos fisicamente pequenos podem dissipar mais potência por unidade de volume do que núcleos fisicamente grandes.
Quando tanto CA quanto CC elevados estão presentes, o nível crescente de polarização de CC faz com que a permeabilidade dos materiais do núcleo diminua, o que, à medida que o nível de CA aumenta, faz com que a permeabilidade suba. Essa propriedade significa que os indutores de saída com níveis elevados de CA exigirão menos voltas do que seria previsto considerando apenas os efeitos de CC.
Os indutores de correção do fator de potência contêm uma corrente de polarização e um sinal de alta frequência de nível mais baixo. Esses indutores em topologias de reforço típicas veem uma corrente de polarização em constante mudança (50 ou 60 Hz) e também uma condição de ondulação de alta frequência em constante mudança. A combinação desses dois efeitos torna a avaliação desses indutores mais complicada do que os típicos indutores CC. Geralmente, é recomendado que a corrente de polarização seja tratada como corrente CC. Isso fornecerá o projeto mais conservador.
Outro uso para indutores de armazenamento de energia é em aplicações ressonantes CA. Este tipo de indutor está sendo acionado por toda a corrente CA de alta frequência. Para manter a perda do núcleo em um nível aceitável, é necessário minimizar a densidade do fluxo operacional. Isso é realizado utilizando materiais de menor permeabilidade que exigirão mais voltas para que a mesma quantidade de queda de tensão (mesma corrente fluindo) resulte em uma menor densidade de fluxo CA operacional. Um método para reduzir a permeabilidade efetiva e, portanto, reduzir a densidade do fluxo operacional é introduzir um entreferro localizado. Em frequências acima de 100 kHz, a "perda de entreferro" adicional gerada pela franja de alta frequência pode causar graves problemas de aquecimento localizado. Em muitos casos, a "perda de entreferro" sozinha pode ser maior do que a perda calculada do núcleo. O pó de ferro tem sido produzido por muitos anos para uso em circuitos de comunicação de alta potência operando de 500 kHz a vários MHz. Um dos materiais que está ganhando popularidade em aplicações de fornecimento de energia ressonante é o Material -2. Este material tem uma permeabilidade de 10, o que ajuda a manter a densidade de fluxo operacional baixa sem criar problemas de perda de gap localizada. Nessas altas frequências, o uso em fio litz é essencial para minimizar as perdas do enrolamento CA.
Enquanto o Material -2 é o material de escolha para aplicações ressonantes acima de 20 kHz, o Material -30 deve ser considerado para indutores CA de frequência mais baixa em aplicações UPS de altíssima potência operando na faixa de frequência de 1 kHz a 5 kHz. Este material fornece um bom equilíbrio de permeabilidade, perda de núcleo, características de saturação e custo de núcleo.
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Filtros de linha
Pós de ferro para filtro de linha (LF)Pós de ferro por radiofrequência (RF)Pós de ferro para conversão de energia (PC)
A adição de regulamentações dos EUA e internacionais aumentou a necessidade de filtrar efetivamente a linha de energia principal. Para conseguir isso, tanto o ruído do modo comum quanto o do modo diferencial (modo normal) devem ser controlados.
Ruído de modo comum é a interferência que é comum às linhas positivas e neutras em relação ao aterramento e geralmente é resultado de acoplamento capacitivo. Ruído de modo diferencial é a interferência que está presente entre as linhas positivas e neutras e é tipicamente gerada por dispositivos de comutação como transistores, SCRs e triacs. Esse tipo de ruído é mais facilmente filtrado quando o indutor está próximo da fonte de ruído.
A filtragem de modo comum requer capacitores para aterramento. Os regulamentos de segurança limitam esses capacitores a um valor relativamente baixo. Esse valor baixo obrigatório de capacitância para filtragem de modo comum torna um alto valor de indutância essencial para uma filtragem eficaz. Os indutores de modo comum normalmente requerem uma indutância mínima de 1000 mH e são mais frequentemente enrolados em uma configuração balun em um núcleo de ferrite de permeabilidade de 5000 ou mais. O enrolamento balun permite que a densidade de fluxo de 60 Hz gerada por cada linha seja cancelada no núcleo, evitando assim a saturação. Materiais de menor permeabilidade, como pó de ferro, são úteis para aplicações de modo comum que envolvem desequilíbrio de linha significativo. Caso contrário, para a maioria das aplicações de modo comum, o tamanho aumentado do núcleo necessário para acomodar o número de voltas necessárias para atingir a indutância necessária torna essa alternativa menos atraente.
Chokes de modo diferencial geralmente têm um único enrolamento, embora seja possível colocar mais de um choke de modo diferencial em um núcleo conectando os enrolamentos na configuração aditiva em vez da configuração balun. Este tipo de choke deve ser capaz de suportar densidade de fluxo significativa de 60 Hz sem saturar e, ao mesmo tempo, responder ao ruído de alta frequência. O entreferro distribuído de pó de ferro, além de sua alta densidade de fluxo de saturação de mais de 12.000 gauss (1,2 T), o torna bem adequado para este requisito.
O pó de ferro sofre magnetostrição. Isso significa que, à medida que o material é magnetizado, ele sofre uma mudança muito leve nas dimensões. Em aplicações acima de frequências audíveis (> 20 kHz), isso não é motivo de preocupação. Em certas aplicações de 60 Hz, no entanto, o zumbido do núcleo pode ser perceptível. Essa condição será mais perceptível com núcleos E do que com toroides. Também será mais significativo com sinais que foram cortados (reguladores de luz, controladores de motor) do que com ondas senoidais normais. Também depende da densidade de fluxo CA operacional. O projeto do indutor de armazenamento de energia é limitado pelo aumento de temperatura resultante da perda combinada de cobre e núcleo e saturação do núcleo. Enquanto os materiais -8, -18 e -52 têm perdas de núcleo menores a 60 Hz.
Além disso, as características de perda de núcleo mais altas dos materiais -26 e -40 em frequências acima de 25 KHz produzirão uma bobina com Q baixo em alta frequência. Essa característica é um benefício adicional para ajudar a suprimir os sinais indesejados.
Os materiais -26 e -40 mantêm boa permeabilidade versus características de densidade de fluxo CA. O aumento significativo na porcentagem de permeabilidade para esses materiais pode ser uma vantagem considerável. Parece que esse aumento na permeabilidade é experimentado em aplicações como dimmers de luz.
Para aplicações onde não está claro se o sinal de alta frequência experimentará o mesmo aumento na permeabilidade que o sinal de 60 Hz, é recomendado que o sinal de 60 Hz seja tratado como corrente CC. Isso produzirá um resultado significativamente diferente, mas será a abordagem mais conservadora.
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