Что такое насыщение сердечника

Что такое насыщение сердечника

НАСЫЩЕНИЕ СЕРДЕЧНИКА

Если через катушку с сердечником протекает большой ток, то магнитный материал сердечника может войти в насыщение. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечет за собой пропорциональное уменьшение индуктивности. Уменьшившаяся индуктивность вызывает дальнейший ускоренный рост тока через КИ, и т.д. В большинстве ИИП насыщение сердечника крайне нежелательно и может приводить к следующим негативным явлениям: — увеличенный уровень потерь в материале сердечника и увеличенный уровень омических потерь в проводе обмотки приводят к неоправданно низкому КПД ИИП; — дополнительные потери вызывают перегрев КИ, а также расположенных поблизости радиодеталей сильные магнитные поля в сердечнике в сочетании с его уменьшившейся магнитной проницаемостью являются многократно усиленным по сравнению с нормальным режимом работы источником помех и наводок на слабосигнальные цепи ИИП и другие приборы; — ускоренно нарастающий ток через КИ вызывает ударные токовые перегрузки ключей ИИП, повышенные омические потери в ключах, их перегрев и преждевременный выход из строя; — ненормально большие импульсные токи КИ влекут за собой перегрев электролитических конденсаторов фильтров питания, а также увеличенный уровень помех излучаемых проводами и дорожками печатной платы ИИП. Список можно продолжить, но и так уже ясно, что следует избегать работы сердечника в режиме насыщения. Ферриты входят в насыщение, если величина плотности потока магнитной индукции превышает 300 [мТ] (миллитесла), причем эта величина не так уж сильно зависит от марки феррита. То есть 300 [мТ] является как бы врожденным свойством именно ферритов, другие магнитные материалы имеют другие величины порога насыщения. Например, трансформаторное железо и порошковое железо насыщаются примерно при 1 [Т], то есть могут работать в гораздо более сильных полях. Более точные значения порога насыщения для разных ферритов указаны в таблице 5. Величина плотности потока магнитной индукции в сердечнике рассчитывается по следующей формуле: (8) B = 1000 * µ0 * µe * I * N / le [мТ] где µ0 — абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 1.257*10-3 [мкГн/мм] µe — относительная магнитная проницаемость сердечника (не путать с проницаемостью материала сердечника!) I — ток через обмотку, [А] N — количество витков в обмотке le — длина средней магнитной линии сердечника, [мм] Несложное преобразование формулы (8) поможет найти ответ на практический вопрос — какой максимальный ток может проходить через дроссель до того, как сердечник войдет в насыщение: (9) Iмакс = 0.001 * Bмакс * le / ( µ0 * µe * N ) [A] где Bмакс — табличное значение для используемого материала сердечника, вместо которого можно использовать значение 300 [мТ] для любых силовых ферритов Для сердечников с зазором удобно подставить сюда выражение (4), после сокращений получаем: (10) Iмакс = 0.001 * Bмакс * g / ( µ0 * N ) [A] Результат получается на первый взгляд довольно парадоксальный: величина максимального тока через КИ с зазором определяется отношением размера зазора к количеству витков обмотки, и не зависит от размеров и типа сердечника. Однако этот кажущийся парадокс просто объясняется. Ферритовый сердечник настолько хорошо проводит магнитное поле, что все падение напряженности магнитного поля приходится на зазор. При этом величина потока магнитной индукции, одинаковая и для зазора и для сердечника, зависит лишь от толщины зазора, тока через обмотку и количества витков в обмотке, и не должна превышать 300 [мТ] для обычных силовых ферритов. Для ответа на вопрос, какой величины суммарный зазор g надо ввести в сердечник, чтобы он выдержал без насыщения заданный ток, преобразуем выражение (10) к следующему виду: (11) g = 1000 * µ0 * I * N / Bмакс [мм] Чтобы нагляднее показать влияние зазора, приведем следующий пример. Возьмем сердечник E30/15/7 без зазора, феррит 3C85, магнитная проницаемость µe = 1700. Рассчитаем количество витков, необходимое для получения индуктивности 500 [мкГн]. Сердечник, согласно таблице, имеет AL = 1.9 [мкГн], воспользовавшись формулой (7) получаем чуть более 16 витков. Зная эффективную длину сердечника le = 67 [мм], по формуле (9) вычислим максимальный рабочий ток, Iмакс = 0.58 [А]. Теперь введем в сердечник прокладку толщиной 1 [мм], зазор составит g = 2 [мм]. Эффективная магнитная проницаемость уменьшится, после несложных расчетов по формулам (5) и (7) находим, что для получения индуктивности 500 [мкГн] надо намотать 125 витков. По формуле (10) определяем максимальный ток КИ, он увеличился до 3.8 [А], то есть более чем в 5 раз! Отсюда следует и практическая рекомендация для читателей, самостоятельно конструирующих дроссели. Чтобы получить катушку индуктивности, работающую при максимально возможном токе, заполняйте сердечник проводом полностью, а затем вводите в сердечник максимально возможный зазор. Если при проверочном расчете окажется, что дроссель имеет чрезмерный запас по току, то выбирайте меньший размер сердечника, или, по крайней мере, уменьшайте количество витков в обмотке, чтобы снизить потери в меди, и одновременно уменьшайте зазор в сердечнике. Важно подчеркнуть, что эта рекомендация не относится к трансформаторам, в которых ток через первичную обмотку состоит из двух составляющих: тока, передаваемого во вторичную обмотку, и небольшого тока, намагничивающего сердечник (ток магнетизации). Как видим, зазор в сердечнике дросселя играет исключительно важную роль. Однако не все сердечники позволяют вводить прокладки. Кольцевые сердечники выполнены неразъемными, и, вместо того чтобы "регулировать" эквивалентную магнитную проницаемость при помощи зазора, приходится выбирать кольцо с определенной магнитной проницаемостью феррита. Этим и объясняется факт большого разнообразия типов магнитных материалов, применяемых промышленностью для изготовления колец, тогда как разъемные сердечники для ИИП, куда легко ввести зазор, почти всегда выполнены из ферритов с высокой магнитной проницаемостью. Наиболее употребительными для ИИП оказываются два типа колец: с низкой проницаемостью (в пределах 50. 200) — для дросселей, и с высокой проницаемостью (1000 и более) — для трансформаторов. Порошковое железо оказывается наиболее предпочтительным материалом для кольцевых неразъемных сердечников дросселей, работающих при больших токах подмагничивания. Проницаемость порошкового железа обычно находится в пределах 40. 125, чаще всего встречаются кольца, выполненные из материалов с проницаемостью 50. 80. В таблице 6 приведены справочные данные кольцевых сердечников из порошкового железа фирмы Филипс. Проверить, входит ли сердечник в насыщение при работе ИИП, несложно, достаточно при помощи осциллографа проконтролировать форму тока, протекающего через КИ. Датчиком тока может служить низкоомный резистор или трансформатор тока. КИ работающая в нормальном режиме будет иметь геометрически правильную треугольную или пилообразную форму тока. В случае же насыщения сердечника, форма тока будет искривлена. ============================================================================== Магнитная индукция поля внутри тороида: B=m*m0*N*I/Lср, где m — магнитная проницаемость феррита, m0 — магнитная постоянная = 4*pi*10^(-7), N — число витков, I — ток в обмотке, Lср — длина средней линии ферритового кольца. Индуктивность тороида: L=m*m0*N^2*S/Lср, где m — магнитная проницаемость феррита, m0 — магнитная постоянная, N — число витков, S — площадь поперечного сечения феррита, Lср — длина средней линии ферритового кольца. Активное сопротивление обмотки (без учета скин-эффекта): R=p*Lп/S, где p — удельное сопротивление меди (0.017Ом*м), Lп — длина провода обмотки, Sп — площадь сечения провода. Расчет дросселя я провожу в следующем порядке: 1) Выявляем параметры ферритового кольца: магнитную проницаемость m, длину средней линии Lср, площадь сечения S, индукцию насыщения Bm. Последний параметр можно узнать в справочнике по известной марке феррита, либо на сайте производителя феррита. 2) Задаемся необходимой индуктивностью дросселя L. 3) Зная параметры L, m, Lср, S, вычисляем необходимое количество витков N. 4) Определяем максимальное токопотребление нагрузки I и берем с 10-15% запасом. 5) Зная параметры m, Lср, S, I, N рассчитываем индукцию B внутри феррита. Если она оказывается больше, чем 0.8Bm, значит кольцо для поставленной задачи не подходит, необходимо выбрать кольцо либо бОльшего сечения, либо с бОльшей индукцией насыщения. 6) Если индукция не превышает 0.8Bm, определяем удовлетворяет ли нас дроссель по рассеиваемой мощности. Для этого задаемся максимальной мощностью, рассеиваемой на дросселе (Pm=0.5-2Вт в зависимости от размеров кольца). 7) По заданной мощности Pm и токопотреблении I, определяем активное сопротивление провода обмотки R. 8) Подбираем провод, которым собираемся наматывать (0.8-1мм для намотки в один провод, 0.5-0.6мм для намотки в несколько проводов). 9) Зная сечение провода(ов) Sпр и их активное сопротивление R, вычисляем максимальную длину провода(ов) Lпр. 10) Наматываем один виток провода на кольцо и определяем его длину Lв. Добавляем 1-2мм на угловое смещение провода при намотке. 11) По найденной максимальной длине провода Lпр и длине одного витка Lв вычисляем допустимое количество витков Nдоп. 12) Если Nдоп оказываеся меньше ранее посчитанного числа витков N, необходимо использовать провод с бОльшим сечением, либо наматывать в несколько проводов. 13) Если Nдоп>=N, оцениваем возможность намотки посчитанного числа витков. Для этого измеряем внутренний диаметр кольца d и смотрим выполняется ли неравенство: pi*(d-Sпр)>=N*dпр, где Sпр — площаль сечения предполагаемого к намотке провода, dпр — диаметр предполагаемого к намотке провода. 14) Если неравенство не выполняется, значит необходимо наматывать в 2 или более слоя. Для маленьких колец с внутренним диаметром до 8мм я лично мотать в несколько слоев не советую. В этом случае лучше взять кольцо бОльших размеров, либо с бОльшей магнитной проницаемостью. С сайта — _http://www.rom.by/comment/112509

Читайте также:  Чем перетянуть стулья на кухне

всего две формулы: ЗАЗОР =мю0 * I квадрат * L /Bквадрат * S N = I*L / B * S

Или еще проще: зазор g = (m0 * I * N) / (0.001 * Bмакс) (мм), N — количество витков, Bmax=0.3. Не нужно знать индуктивность. Источник — http://ferrite.com.ua/st1.html

Пардон. Просто сдесь полно тех, кому вопрос неинтересен, а интересно самоутверждение. Всё верно. 4 * пи на 10 в минус седьмой. Но не думаю, что кто-то при расчётах пользуется точностью более чем 3,14 , а 3,1415926 вообще для многих нонсенс . Так что 1,257 на 10 в минус шестой — достаточно точно. Тем более что разброс Al сердечника лежит в пределах плюс минус 5% при малых зазорах и не менее 2% при больших, а при сверхмалых зазорах вообще до 20% доходит. Такая точность расчёта вполне удовлетворительна. 4 * Pi * 10 ^ -7 = 0,00000125663706143592 = 1,25663706143592 * 10 ^ -6 Велика ли разница?

Итак, мы решили поразвлечься и всерьёз сваять что-нибудь стоящее своими руками, как то: индуктивный фильтр для блока питания, дроссель для усилительного каскада, выходной трансформатор для однотактного УНЧ, или фиг его знает — чего ещё похуже.
Что объединяет этих жертв нашего волеизъявления?
Каждое из перечисленных моточных изделий содержит магнитомягкий магнитопровод, и через каждое из них протекает постоянный ток. И если к переменному току, даже значительных величин, магнитопровод относится сдержанно-положительно, то к постоянке питает явную антипатию и может резко войти в насыщение от её переизбытка.
При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечёт за собой пропорциональное уменьшение индуктивности изделия.

На этой странице порассуждаем о тороидальных магнитопроводах из ферритов, распылённого железа, электротехнической стали и их способности противостоять постоянному току.

Для наглядности рассмотрим график зависимости B от H , называемый петлёй гистерезиса, для распространённого, где-то даже народного, феррита марки N87 фирмы EPCOS.

Читайте также:  Ноут не видит проводную мышь

Здесь:
H — напряжённость магнитного поля, а
B — магнитная индукция в сердечнике.

Зависимость приведена при температуре изделия +25 гр.С.

Интересующие нас параметры из datasheet-а производителя:

Начальная магнитная проницаемость —
µ = 2200 ,
Магнитная индукция насыщения при H=1200 А/м — Bнас = 0,490 Т .

Если внимательно присмотреться к графику, то легко заметить, что в области малых и средних индукций зависимость практически линейна и её наклон примерно равен µ . Именно на этот участок в большинстве случаев и должен приходиться диапазон рабочих индукций.
При дальнейшем повышении напря- жённости магнитного поля магнитная проницаемость начинает быстро падать, пока не наступает момент, при котором дальнейший рост магнитной индукции в сердечнике стопорится на определённой величине. В спецификациях это величина приводится, как значение магнитной индукции насыщения — Bнас , или Bs , т.е. величина, при которой значение магнитной проницаемости падает до неприлично малых значений.

Так что давайте без лишних прелюдий и телодвижений сделаем фундаментальный вывод — для нормальной работы катушки, намотанной на магнитопроводе, рабочие значения магнитной индукция в сердечнике не должны превышать величину 0,75 — 0,8 от значения справочной характеристики Bнас (Bs) .

Переходим к незамысловатым формулам!

Магнитная индукция в сердечнике равна:
B = µ×µ×n×I/l , где:
µ — магнитная проницаемость сердечника,
µ = 4π×10 -7 (Гн/м) — физическая константа, называемая магнитной постоянной,
n — количество витков обмотки,
I — ток в обмотке,
l — средняя длина магнитного контура.

Поскольку рабочий режим магнитопровода мы выбираем в линейной области петли гестерезиса, то в качестве значения µ можно использовать паспортную характеристику начальной магнитной проницаемости сердечника.

Теперь можно рисовать калькулятор для расчёта магнитной индукции в катушке с учетом выбранного типа сердечника и конкретного количества витков обмотки.

Для удобства восприятия, помещу сюда и значение индуктивности полученного моточного изделия. Формулы для вычислений этого параметра выглядят следующим образом:
L=0,0002×µ×h×n 2 ×ln(Dвнешн/Dвнутр) при соблюдении условия Dвнешн/Dвнутр>1,75 ,
L=0,0004×µ×h×n 2 ×(Dвнешн-Dвнутр)/(Dвнешн+Dвнутр) при Dвнешн/Dвнутр

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В КАТУШКЕ С ТОРОИДАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ.

Увы, но значительных токов через катушки на ферритовых кольцах, или торах из трансформаторной стали нам пропустить не удастся — нужны танцы с бубнами в виде немагнитных воздушных зазоров.
Другое дело — сердечники из распылённого железа, представляющие собой магнитопровод с немагнитными зазорами, технологически распределёнными по всему объёму магнитопровода. Их очевидный плюс — высокая индукция насыщения, минус — малые величины магнитной проницаемости.

В связи с этим, в некоторых случаях (в основном на низких частотах) предпочтительным является использование именно сердечников из ферритов (или железа) с пропилом для создания малого воздушного зазора. Данная мера позволяет в значительной мере увеличить величину допустимых токов через катушку без ввода магнитопровода в режим насыщения. Длина этого воздушного зазора позволяет регулировать как величину максимально-допустимой напряжённости магнитного поля в сердечнике, так и параметр изменившейся магнитной проницаемости, называемой эквивалентной магнитной проницаемостью сердечника с зазором — µэф . Значение этого параметра вычисляется по формуле:
µэф = µ/(1+lз×µ/l) , где:
µ — начальная магнитная проницаемость сердечника,
l — средняя длина магнитного контура,
lз — длина воздушного зазора (толщина пропила).

Давайте посчитаем этот параметр.

РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СЕРДЕЧНИКА С ЗАЗОРОМ.

Таблица даёт приблизительную, но, в большинстве своём, приемлемую точность расчёта при величинах длины воздушного зазора 0,2-2 мм.

Для Ш-образных сердечников в качестве внутреннего и внешнего диаметров следует вводить справочную характеристику длины магнитного контура le .

Определив ниже магнитную проницаемость сердечника с зазором, следует ввести это значение в предыдущий калькулятор и заново произвести вычисления магнитной индукции и индуктивности катушки.

Для наглядности приведу два графика петли гистерезиса Ш-образного ферритового сердечника марки N87 без немагнитного воздушного зазора и с зазором около 1 мм. Феррит ETD 59/31/22, достаточно крупный, с средней длиной магнитного контура le = 139 мм.
Механизмы влияния зазора у Ш-образных и тороидальных сердечников абсолютно идентичны.

Эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором уменьшилась и составила величину 160 единиц. Соответственно, уменьшился и наклон петли, позволяя сердечнику работать при гораздо больших значениях напряжённости магнитного поля вдали от области магнитной индукции насыщения сердечника.
А учитывая то, что значение напряжённости H прямо пропорционально, протекающему через катушку току, можно с уверенностью сказать, что область безопасных индукций теперь соответствует более чем на порядок большим токам в обмотке.

Читайте также:  Как нарисовать самую красивую открытку

Линейная область петли гистерезиса также заметно увеличилась, что позволяет увеличить максимальные рабочие значения магнитной индукция в сердечнике вплоть до 0,85-0,9 от значения справочной характеристики Bнас (Bs).

Насыщение сердечника трансформатора

Трансформаторы с тороидальными сердечниками гораздо более чувствительны к насыщению материала сердечника, что является прямым результатом их конструкции, более приближающейся к идеальной. Вне зависимости от того, является ли трансформатор силовым или низкочастотным, используемым в звуковом тракте, сердечники мощных трансформаторов обычно изготавливаются из кремнистой электротехнической стали с ориентированными зернами (GOSS), которая обладает тем преимуществом, что в направлении, совпадающем с плоскостью зерен, плотность магнитного потока может иметь более высокие значения. Традиционные трансформаторы, в которых сердечники набраны из обычных Ш-образных пластин, лишены этого преимущества, так в таких сердечниках всегда существуют области, в которых вектор магнитного потока направлен перпендикулярно плоскости зерна. Для тороидальных сердечников вектор магнитного потока всегда параллелен плоскости зерна, поэтому эти сердечники могут работать при таких значениях плотности потока, которые значительно ближе по своей величине к насыщению. А это, в свою очередь, позволяет уменьшать размеры трансформатора, так как работа при более высоких значениях магнитного потока позволяет использовать сердечник меньшего размера. Соответственно, процесс насыщения тороидальных сердечников происходит более резко, тогда как подобный переход для обычных Ш-образных сердечников происходит более плавно.

Рис. 6.10 Осциллограммы тока и напряжения на накопительном конденсаторе при токе нагрузки 88 мА. Верхняя осциллограмма (Сh. 1): форма тока (амплитудное значение Ipk = 340 мА). Нижняя осциллограмма (Сh. 2): напряжение пульсаций (двойное амплитудное значение напряжения Vpk-pk= 13 В)

Насыщение сердечника трансформатора крайне нежелательно, так как при этом происходит интенсивное рассеяние магнитного потока вне сердечника, что вызывает наведение токов индукции в близко расположенных цепях. Еще хуже то, что насыщение возникает периодически (с частотой 100 или 120 Гц), поэтому вызывает всплески помех, частоты которых распространяются и на звуковых частотах и в радиочастотный диапазон. Более резкий переход в режим насыщения способствует появлению большей доли высших гармоник в. Разумеется, нельзя забывать и о том, что насыщение сердечника приводит к его перегреву, вплоть до его физического разрушения.

Рис. 6.11 Спектральный состав тока пульсаций накопительного конденсатора

И это не просто сомнительные россказни о гипотетических несчастиях. Автор «вырвал почти все волосы на своей голове», разыскивая источник видеопомех на мониторе для вывода графических данных, прежде чем обнаружил, что причиной оказалось насыщение торроидального сердечника силового трансформатора, который индуцировал помехи непосредственно в горловине кинескопа монитора.

Если в результате расчета источника питания оказалось, что он должен иметь напряжение пульсаций, составляющее только 5% от величины напряжения питания, то это означает, что 90% времени трансформатор будет фактически отключен от схемы, а выходное сопротивление источника питания будет определяться только эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора и сопротивлением выходных проводов. Именно по этой причине замена накопительного конденсатора обычного типа на тип, рассчитанный на высокие значения токов пульсаций, оказывает очень заметное влияние на качество звучания усилителя, так как для них величина эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, значительно ниже (правда выше при этом оказывается их стоимость).

Комбинация компонентов из обмотки трансформатора, выпрямителя и конденсатора образует сугубо нелинейную систему. Поэтому их поведение становится гораздо сложнее, чем предсказывает схема идеального источника напряжения Тевенина, в силу чего анализ необходимо проводить с учетом поведения реальной схемы в различные моменты времени.

На протяжении очень короткого начального периода времени (менее времени заряда конденсатора) выходное сопротивление источника питания определяется суммой эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и сопротивления проводов. Это будет оставаться справедливым даже в случае протекания переходных токов с очень высокими значениями, которые могут возникать при первом и последующих циклах заряда при условии, что они при этом не очень значительно меняют величину заряда конденсатора. Единственное условие, которое должно соблюдаться, это то, чтобы конденсатор был бы в состоянии выдержать этот значительный по величине ток. Для того, чтобы соблюсти это условие, у конденсатора должно быть небольшое значение эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, и не только на частотах сетевого питания, но в диапазоне частот, по крайней мере, до 40 кГц. Это связано с тем, что выходной усилитель мощности, часто работающий в классе В (с отсечкой выходного тока ламп), вызывает появление выпрямленной составляющей звукового сигнала, а также его второй гармоники (то есть удвоенной звуковой частоты) на шинах источника питания. Для выполнения требований этого условия можно использовать электролитический конденсатор, предназначенный для применения в импульсных источниках питания в качестве накопительного конденсатора, зашунтировав его конденсатором меньшей емкости (рис. 6.12).

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector