В электронных схемах существует три типа пассивных компонентов: резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, среди которых катушки индуктивности в принципе могут быть наиболее своеобразными. Явление индуктивности было открыто Майклом Фарадеем и Джозефом Генри в 1830-х годах: Фарадей обнаружил, что изменяющееся магнитное поле может индуцировать ток; Генри независимо изучил явление «самоиндукции», которое означает индукцию тока в проводнике внутри него самого.
До того, как люди полностью поняли электромагнетизм, было загадкой, что простая намотка провода в катушку может изменить его электрические свойства. На заре радиолюбителей энтузиасты своими руками использовали магнитный стержень или картонную трубку длиной всего несколько дюймов, намотанную десятками витков провода, для изготовления индукторов настроечной катушки и сборки транзисторных радиоприемников.
Схематическое обозначение индуктора основано на его внешнем виде (рис. 1). Типы индукторов включают полые, с железным сердечником и переменные.
Рисунок 1: Индукторы (рисунок справа) изначально представляли собой проволоку, намотанную на полую трубку или железный сердечник; Соответствующие принципиальные символы показаны на рисунке (слева). (Источник изображения: Hackatronic.com)
Индуктивность является характеристикой проводника, и под действием его магнитного поля ток, проходящий через проводник, часто изменяется. Поэтому индукторы иногда называют дросселями, поскольку они могут «глушить» изменения тока. Связь между индуктивностью (L) и скоростью изменения напряжения (V) и тока (I) можно выразить простым уравнением: V=L (dI/dt).
Хотя катушки индуктивности по-прежнему широко используются, сегодня они больше не подходят для многих цепей. Они могут быть слишком большими, неспособными обеспечить требуемые значения, проявлять нежелательные паразитные эффекты, иметь высокое сопротивление постоянному току (DCR) и снижать производительность на более высоких частотах. По сравнению с ранними радиоэнтузиастами, занимавшимися самодельным радио, теперь доступны для покупки готовые катушки индуктивности для радиочастотных (РЧ) приложений с размерами менее 1 квадратного миллиметра (мм2).
Современные индукторы для преобразователей мощности
Хотя индукторы достигли значительного прогресса, даже усовершенствованные катушки индуктивности имеют недостатки по характеристикам и размерам для современных схем. Современные силовые индукторы представляют собой прецизионные компоненты, которые были тщательно смоделированы, их основные и вторичные параметры полностью определены, а их свойства оптимизированы в соответствии с различными приоритетами применения.
Кроме того, поставщики разработали новые материалы для удовлетворения потребностей различных топологий импульсных источников питания, таких как несимметричные преобразователи с первичной индуктивностью (SEPIC), преобразователи Ć uk (названные в честь их изобретателя Слободана Ć uk) и различные повышающие понижающие конфигурации.
В большинстве этих индукторов используются современные ферритовые и порошковые материалы, а их характеристики тщательно подобраны. Эти дроссели имеют чрезвычайно низкий DCR (значительно улучшающий значение индуктивности Q — стандартное значение для измерения характеристик индуктивности) и плавный спад индуктивности. Последнее относится к степени, в которой фактическое значение индуктивности уменьшается или «спадает» из-за насыщения магнитного сердечника по мере увеличения постоянного тока, аналогично спаду частотной характеристики фильтра.
Дроссели, используемые в источниках питания, обычно также должны иметь относительно высокий номинальный ток, обычно в десятки ампер. Этот параметр определяется не одним значением, а несколькими значениями, такими как среднеквадратичный ток (Irms), пиковый ток (Ipeak) и ток насыщения (Isat). Индукторы, поставляемые производителем, будут иметь различные комбинации номинальных токов и другие ссылки на параметры верхнего уровня для удовлетворения приоритетных требований различных топологических структур.
Производитель также разработал передовые материалы и технологию поверхностного монтажа (SMT) (рис. 2), которые могут противостоять соответствующему нагреву без ущерба для производительности и надежности. Тип экранирования помогает минимизировать проблемы с радиочастотными помехами (RFI) в чувствительных приложениях.
Рисунок 2. Мощные индукторы SMT теперь могут иметь удивительно малые размеры без ущерба для производительности. (Источник изображения: Eaton)
Серия формованных индукторов HCM/HPAL от подразделения Eaton Electronics отражает развитие и дифференциацию этих оптимизированных для преобразователей индукторов. В обеих сериях используются современные материалы индукторов, которые характеризуются долговечностью, высоким током и низким уровнем электромагнитных помех. Их литая конструкция обеспечивает плавный спад индуктивности в различных диапазонах номинального тока.
Устройства серий HCM и HPAL бывают разных размеров, но их объемы относительно невелики.
Для обеспечения надежности и прочности номинальная рабочая температура устройств HCM/HPAL составляет от -55 до 125 °C (температура окружающей среды плюс самоповышение температуры), и они содержат ингибиторы ржавчины, которые помогают предотвратить появление ржавчины на поверхности из-за влажной среды (уровень MSL 1).
В серии HCM используется усовершенствованный прессованный железный порошок с превосходными характеристиками Isat, которые можно увидеть в двух типичных устройствах: HCM0503V2-R68-R и HCM0503V2-4R7-R. HCM0503V2-R68-R представляет собой неэкранированный дроссель DCR с сопротивлением 680 наногенри (нГн), сопротивлением 8 миллиом (мОм) и рабочей частотой до 1 мегагерца (МГц). Его размеры всего 5,7×5,4×3,0 мм, номинальный ток 10 ампер (А) (Irms)/12 ампер (Isat). HCM0503V2-4R7-R использует тот же размер корпуса, но подходит для ситуаций, требующих более высокой индуктивности. Это неэкранированное устройство с сопротивлением 4,7 мкГн, 47 мОм и номинальным током 4,1 А (Irms)/6 А (Isat).
Напротив, в индукторах HPAL используется порошок сплава для достижения более низкого DCR и более высокого Irms при сохранении меньших потерь в сердечнике. Диапазон мощности этой серии индукторов составляет от 0,15 мкГн до 10 мкГн, а ток — от 4,5 А до 40 А. Он имеет функцию электромагнитного экранирования (EMI), что имеет решающее значение в некоторых приложениях. Примеры устройств включают HPAL1V0630-R47-R (индуктор 470 нГн, 4,1 мОм, рассчитанный на 18 А (Irms) и 20 А (Isat)) и HPAL1V0630-8R2-R (индуктор 8,2 мкГн, 55 мОм, рассчитанный на 5 А (Irms) и 5,5 А (Isat)).
График на рисунке 3 показывает зависимость спада между номинальной индуктивностью, постоянным током и температурой дросселя HPAL1V0630-8R2-R.