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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA O uso de circuitos magnéticos de supressão de ruído de tamanho pequeno feitos de ligas metálicas amorfas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Designer de rádio amador Há um terço de século, experimentos de resfriamento rápido de metais fundidos, realizados para obter uma estrutura submicroscópica do metal, mostraram que, em alguns casos, não há rede cristalina no metal e o arranjo de átomos é característico de um corpo amorfo e sem estrutura. Descobriu-se que o metal amorfo tem propriedades completamente diferentes, não semelhantes ao metal cristalino. Torna-se várias vezes mais forte, sua resistência à corrosão aumenta, as características eletromagnéticas mudam e até uma das constantes mais estáveis \uXNUMXb\uXNUMXb- o módulo de elasticidade. Ligas amorfas são chamadas de vidros metálicos. O interesse por eles está crescendo rapidamente. Em primeiro lugar, os pesquisadores estavam interessados \uXNUMXb\uXNUMXbnas propriedades ferromagnéticas das ligas à base de ferro, níquel e cobalto, que se mostraram superiores às das permalloys, e essas propriedades são mais estáveis. Hoje falaremos sobre algumas áreas de aplicação de núcleos magnéticos feitos de ligas metálicas amorfas. Núcleos magnéticos feitos de ligas metálicas amorfas são enrolados em fitas finas (média de 25 µm) (Fig. 1). Ao selecionar o material e o modo de tratamento térmico, você pode obter propriedades únicas que são ideais para uma determinada aplicação de produtos.
O fragmento acima do diagrama funcional do conversor mostra quatro tipos de núcleos magnéticos (veja o anúncio do Mstator na p. 33): 1 - para corretores de fator de potência. Devido à indução de alta saturação (1,45 T), baixas perdas e capacidade de trabalhar em temperaturas elevadas, o uso de tais circuitos magnéticos permite reduzir o tamanho e o peso do dispositivo; 2 - toroidal com modo de saturação para amplificadores magnéticos (teclas magnéticas). Esses circuitos magnéticos têm propriedades únicas: alta quadratura do loop de histerese (0,96...0,98), baixas perdas e baixa força coercitiva em alta frequência. Uma aplicação típica de interruptores magnéticos são fontes de alimentação multicanal, nas quais o feedback para o controlador PWM vem de uma das saídas e a estabilização de tensão nos canais restantes é garantida pelo uso de interruptores magnéticos. Tal construção de fontes de alimentação elimina a dependência da tensão em um dos canais do grau de carga dos outros, aumenta a estabilidade e reduz a ondulação da tensão de saída, facilita a implementação de controle externo separado, proteção separada de canais para corrente com limiares diferentes. Circuitos magnéticos semelhantes também são usados para estabilizar a corrente de saída, por exemplo, em carregadores. Além disso, esses produtos podem melhorar a eficiência e a confiabilidade do dispositivo; 3 - supressão de ruído. Eles são frequentemente usados com um enrolamento de uma volta: eles são simplesmente colocados na saída de um elemento - um diodo, um transistor. Esses núcleos magnéticos fornecem supressão efetiva de interferência de rádio e redução de ondulações de tensão de saída de alta frequência; 4 - toroidal de pequeno porte para bobinas de potência (indutores). Esses circuitos magnéticos são caracterizados por um alto nível de polarização CC, mantendo alta permeabilidade. Possuem alta indução de saturação (1,45 T) e baixas perdas, permitem reduzir as dimensões do dispositivo e proporcionar operação em um nível de polarização DC maior do que quando se utiliza núcleos magnéticos feitos de materiais tradicionais. Além disso, circuitos magnéticos feitos de ligas metálicas amorfas são usados em filtros de modo comum de fontes de alimentação chaveadas. Utiliza materiais com um loop de histerese estreito, alta permeabilidade magnética inicial (até 150000), baixas perdas em alta frequência. Para obter a indutância necessária, é necessário um pequeno número de voltas, o que, além de reduzir o tamanho, fornece uma pequena capacitância parasita do enrolamento e um alto coeficiente de supressão de ruído de modo comum. A seguir, abordaremos com mais detalhes o uso de circuitos magnéticos supressores de ruído em miniatura. Esses produtos evitam mudanças rápidas na corrente elétrica que poderiam levar a interferências e ruídos elétricos. Ao contrário de outros, este método elimina a própria causa da interferência. Devido à forma retangular do loop de histerese, os núcleos magnéticos supressores de ruído têm uma indutância muito grande no momento da passagem por zero da corrente, o que efetivamente amortece quaisquer mudanças rápidas de corrente. Depois que a corrente nominal é estabelecida, o circuito magnético fica saturado, sua indutância diminui e não afeta a operação do dispositivo. Por exemplo, tais produtos reduzem de forma simples e eficaz o ruído causado pela corrente de recuperação reversa em elementos de comutação de semicondutores no momento do desligamento. Os supressores de interferência de volta única (baseados em circuitos magnéticos cilíndricos) são estruturalmente otimizados para uso com um enrolamento de volta única, que geralmente é o condutor do componente. Eles são colocados na saída do elemento (transistor, diodo) antes de serem montados em uma placa de circuito impresso (Fig. 2).
Dispositivos de supressão de interferência de várias voltas ("assassinos de pico" ou "assassinos de emissão") são pequenos circuitos magnéticos de saturação com um enrolamento de várias voltas. A vantagem dos dispositivos descritos, em comparação com outros métodos, é maior eficiência (devido à eliminação da causa da interferência - mudanças rápidas de corrente), perdas menores (as perdas totais são menores do que em um circuito RC convencional, especialmente em alta frequência) , economizando área de PCB (são colocados diretamente nos terminais dos semicondutores, sem ocupar espaço adicional na placa de circuito impresso). Esta classe de circuitos magnéticos é amplamente utilizada na comutação de fontes de alimentação, conversores CC para CC, unidades de controle de motores, dispositivos semicondutores de comutação e filtros de modo comum de pequeno porte. Além da supressão de ruído, as bobinas de supressão de ruído são usadas para proteger semicondutores, pois eliminam picos de tensão potencialmente perigosos. O princípio de operação do circuito magnético de supressão de ruído é ilustrado na Fig. 3.
Durante o fluxo de corrente contínua contínua (região "I" na Fig. 3, a), o circuito magnético fica saturado e sua magnetização permanece quase constante (região "D" na Fig. 3, b), portanto o indutor tem uma baixa indutância. Após o desligamento, quando a corrente direta do diodo diminui, o circuito magnético ainda está saturado e a indutância do indutor ainda é pequena (região "II" na Fig. 3). A corrente do diodo continua a diminuir e muda de direção (região "III" na Fig. 3a). O período de recuperação reversa de um diodo é caracterizado por um alto valor di/dt, que é a principal causa do ruído. Neste momento, o circuito magnético começa a remagnetizar (região "III" na Fig. 3, b), a indutância do indutor aumenta rapidamente, o que leva a uma diminuição no surto de corrente reversa do diodo. Quando o diodo fechar, o circuito magnético ficará praticamente em estado desmagnetizado (região "IV" da Fig. 3). Assim que chega o próximo pulso, o diodo liga novamente, e o circuito magnético, sendo magnetizado, entra rapidamente em saturação (região "V" na Fig. 3) e o processo acima é repetido. Na fig. A Figura 4 mostra exemplos do uso de núcleos magnéticos supressores de interferência (redutores de supressão de interferência são destacados em vermelho, indutores de armazenamento baseados em núcleos magnéticos MD feitos de uma liga amorfa com um modo de polarização DC são mostrados em amarelo): a - estabilizador de pulso ; b - conversor push-pull; c - conversor flyback; g - unidade de controle do motor; e - conversor direto; e - unidade de controle do motor da ponte.
Na fig. A Figura 5 mostra oscilogramas comparativos que demonstram claramente as vantagens dos dispositivos de supressão de ruído feitos de ligas metálicas amorfas usando um conversor direto como exemplo: a, b - ondulação da tensão de saída, frequência f = 150 kHz, tensão de saída Uout = 15 V, corrente de carga IН=10 A: a - amplitude do ripple 67 mV (circuito RC e núcleo magnético de ferrite), b - amplitude do ripple 45 mV (MP4-2-4.5AP); c, d - tensão na entrada do retificador (acima - tensão no ânodo do diodo, abaixo - corrente através do diodo), f = 500 kHz, Uout = 5 V, lH = 20 A: c - sem medidas de amortecimento, d - MP4- 2-4.5; e, f - tensão no transistor MOSFET de comutação, frequência 250 kHz: e - tensão máxima 715 V (circuito magnético de ferrite 4-2-4), e - tensão máxima 690 V (MP4-2-4.5); g, h - correspondente e, f ripples da tensão de saída do conversor, f=250 kHz, Uout=5 V, 1n=15 A: g - amplitude do ripple 140 mV (núcleo magnético de ferrite 4-2-4), h - amplitude de ondulação 87 mV (MP4-2-4.5).
Na tabela. 1 fornece recomendações gerais ao escolher núcleos magnéticos supressores de ruído usados em fontes pulsadas. Depois que o grupo é determinado, um tipo específico é selecionado com base nas seguintes proporções.
Para suprimir efetivamente a frente da corrente reversa de recuperação do diodo usando dispositivos de volta única, é necessário atender à condição 2Фm≥(Ucxtrr), onde 2Фm é o fluxo máximo (pico a pico duplo) no circuito magnético, Wb ; Uc - tensão reversa do diodo, V; trr - tempo de recuperação reversa do diodo, s. Como exemplo, considere um diodo de descarga (comutação) (Fig. 4, e) de um conversor direto com uma tensão de saída de 12 V. O tempo de recuperação reversa do diodo é de 35 ns, o ciclo de trabalho é de 0,3 (30%) . De acordo com a tabela 1 selecione um núcleo magnético cilíndrico com supressão de ruído. Então calculamos o lado direito da expressão: 2Фm≥((12/0,3)х35х10-9)=1,4 мкВб. Da Tabela. 2, selecionamos o menor circuito magnético que satisfaça esta condição - MPZx2x4.5AP.
Para dispositivos multivoltas, a condição (2ФmxAw)≥(1,5Ucxl0xtrr), onde 2Фm é o fluxo magnético máximo no circuito magnético, Wb; Аw é a área da janela (enrolamento) ao longo do diâmetro interno da carcaça do circuito magnético, mm2; Uc - tensão no elemento, V; l0 - corrente do elemento, A; trr - tempo de recuperação reversa, s. Como exemplo, considere o diodo de descarga (comutação) de um conversor direto com uma tensão de saída de 24 V e uma corrente de carga de 2 A. O tempo de recuperação reversa do diodo é de 60 ns, o ciclo de trabalho é de 0,3 (30%) . De acordo com a tabela 1 selecione um afogador multivoltas. Então calculamos o lado direito da expressão: (2ФmxAw≥(1,5х(24/0,3)х2х60х10-9)= =14,4 мкВб·мм2 . Da Tabela. 3 selecione o menor circuito magnético que satisfaça esta condição - МН080704.5А.
O diâmetro do fio (em mm) e o número de voltas do enrolamento para o circuito magnético selecionado são calculados de acordo com as seguintes relações: dnp≥(0,5√I0 = 0,7 mm; N≥(3Ucxtrr/(2Фm))=(3x(24/0,3)x60x10-9 /(1,96х10-6))=7,35 витка. Escolhemos um valor inteiro N=8 voltas. A seleção final ótima do choke de supressão de ruído é feita por testes práticos de um dispositivo real. As recomendações indicativas para o uso de núcleos magnéticos supressores de ruído cilíndricos são fornecidas na Tabela. 4 (para conversores diretos) e na tabela. 5 (para conversores flyback).
Autor: E. Fochenkov, Borovichi, região de Novgorod
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