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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Application de noyaux magnétiques antibruit de petite taille en alliages métalliques amorphes. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Concepteur radioamateur Il y a un tiers de siècle, des expériences sur le refroidissement rapide des métaux fondus, menées dans le but d'obtenir une structure submicroscopique du métal, ont montré que dans certains cas, il n'y a pas du tout de réseau cristallin dans le métal, et le La disposition des atomes est caractéristique d’un corps amorphe et sans structure. Il s'est avéré que le métal amorphe a des propriétés complètement différentes, qui ne sont pas similaires à celles du métal cristallin. Il devient plusieurs fois plus résistant, sa résistance à la corrosion augmente, ses caractéristiques électromagnétiques changent et même l'une des constantes les plus stables - le module d'élasticité - change. Les alliages amorphes sont appelés verres métalliques. L'intérêt pour eux augmente rapidement. Tout d'abord, les chercheurs se sont intéressés aux propriétés ferromagnétiques des alliages à base de fer, de nickel et de cobalt, qui se sont révélées supérieures à celles du permalloy, et ces propriétés sont plus stables. Aujourd'hui, nous allons parler de certains domaines d'application des noyaux magnétiques en alliages métalliques amorphes. Les noyaux magnétiques constitués d'alliages métalliques amorphes sont enroulés à partir de rubans minces (en moyenne 25 microns) (Fig. 1). En sélectionnant le matériau et le mode de traitement thermique, vous pouvez obtenir des propriétés uniques optimales pour l'application spécifique du produit.
Le fragment donné du schéma fonctionnel du convertisseur montre quatre types de noyaux magnétiques (voir publicité de la société Mstator page 33) : 1 - pour les correcteurs de facteur de puissance. En raison de l'induction à saturation élevée (1,45 T), des faibles pertes et de la capacité de fonctionner à des températures élevées, l'utilisation de tels noyaux magnétiques permet de réduire la taille et le poids du dispositif ; 2 - toroïdal avec mode saturation pour amplificateurs magnétiques (clés magnétiques). Ces noyaux magnétiques ont des propriétés uniques : coefficient d'équerrage élevé de la boucle d'hystérésis (0,96...0,98), faibles pertes et faible force coercitive aux hautes fréquences. Une application typique des commutateurs magnétiques est celle des alimentations multicanaux, dans lesquelles le retour vers le régulateur PWM provient de l'une des sorties, et la stabilisation de la tension dans les canaux restants est assurée par l'utilisation de clés magnétiques. Cette conception d'alimentation élimine la dépendance de la tension dans l'un des canaux par rapport au niveau de charge des autres, augmente la stabilité et réduit l'ondulation de la tension de sortie, et facilite la mise en œuvre d'un contrôle externe séparé et d'une protection de courant séparée des canaux avec différents seuils. . Des noyaux magnétiques similaires sont également utilisés pour stabiliser le courant de sortie, par exemple dans les chargeurs. De plus, ces produits peuvent augmenter l’efficacité et la fiabilité de l’appareil ; 3 - suppression du bruit. Ils sont souvent utilisés avec un bobinage monotour : ils sont simplement posés à la borne d'un élément - une diode, un transistor. De tels noyaux magnétiques assurent une suppression efficace des interférences radio et une réduction des ondulations haute fréquence dans la tension de sortie ; 4 - toroïdal de petite taille pour selfs de puissance (inductances). Ces noyaux magnétiques se caractérisent par un niveau élevé de polarisation en courant continu tout en conservant une perméabilité élevée. Ils ont une inductance de saturation élevée (1,45 T) et de faibles pertes, permettent de réduire les dimensions du dispositif et permettent un fonctionnement à un niveau de polarisation DC plus élevé qu'avec l'utilisation de noyaux magnétiques constitués de matériaux traditionnels. De plus, des noyaux magnétiques constitués d'alliages métalliques amorphes sont utilisés dans les filtres de mode commun des alimentations à découpage. Ici, des matériaux avec une boucle d'hystérésis étroite, une perméabilité magnétique initiale élevée (jusqu'à 150000 XNUMX) et de faibles pertes à hautes fréquences sont utilisés. Pour obtenir l'inductance requise, un petit nombre de tours est nécessaire, ce qui, en plus de réduire les dimensions, garantit une faible capacité parasite de l'enroulement et un coefficient de suppression du bruit de mode commun élevé. Nous reviendrons ensuite plus en détail sur l'utilisation de circuits magnétiques miniatures antibruit. Ces produits empêchent les changements rapides du courant électrique qui autrement provoqueraient du bruit et des interférences électriques. Contrairement à d’autres, cette méthode élimine la cause même des interférences. En raison de la forme rectangulaire de la boucle d'hystérésis, les circuits magnétiques antiparasites ont une inductance très élevée au moment où le courant passe par zéro, ce qui amortit efficacement toute variation rapide du courant. Après avoir établi le courant nominal, le circuit magnétique est saturé, son inductance diminue et n'affecte pas le fonctionnement de l'appareil. Par exemple, de tels produits réduisent simplement et efficacement le bruit provoqué par le courant de récupération inverse dans les éléments de commutation à semi-conducteurs lors de la mise hors tension. Les suppresseurs de bruit à un tour (basés sur des noyaux magnétiques cylindriques) sont conçus pour être optimisés pour être utilisés avec un enroulement à un tour, qui est généralement le fil du composant. Ils sont placés sur la borne de l'élément (transistor, diode) avant montage sur le circuit imprimé (Fig. 2).
Les dispositifs de suppression de bruit multitours (« Spike Killers ») sont de petits circuits magnétiques à saturation dotés d'un enroulement de plusieurs tours. L'avantage des dispositifs décrits, par rapport à d'autres méthodes, est une efficacité plus élevée (en raison de l'élimination de la cause des interférences - changements rapides de courant), des pertes plus faibles (les pertes totales sont inférieures à celles d'un circuit RC conventionnel, en particulier aux hautes fréquences ), économisant de l'espace sur le circuit imprimé (s'installe directement sur les bornes du semi-conducteur, sans nécessiter d'espace supplémentaire sur le circuit imprimé). Cette classe de noyaux magnétiques est largement utilisée dans les alimentations à découpage, les convertisseurs DC-DC, les unités de commande de moteurs électriques, les dispositifs à semi-conducteurs de commutation et les filtres de mode commun de petite taille. En plus de la suppression du bruit, les selfs de suppression du bruit sont utilisées pour protéger les semi-conducteurs en éliminant les surtensions potentiellement dangereuses. Le principe de fonctionnement du circuit magnétique antibruit est illustré à la Fig. 3.
Lors du flux de courant continu (région « I » sur la figure 3, a), le circuit magnétique est saturé et sa magnétisation reste presque constante (région « G » sur la figure 3, b), donc l'inducteur a un très faible inductance. Après la mise hors tension, lorsque le courant direct de la diode diminue, le circuit magnétique est toujours saturé et l'inductance de l'inductance est encore petite (région « II » sur la figure 3). Le courant de la diode continue de diminuer et change de direction (région « III » sur la figure 3a). La période de récupération inverse de la diode est caractérisée par une valeur di/dt élevée, qui est la principale cause d'interférence. A ce moment, le circuit magnétique commence à se remagnétiser (région « III » sur la figure 3b), l'inductance de l'inductance augmente rapidement, ce qui entraîne une diminution de la surtension inverse de la diode. Lorsque la diode se ferme, le circuit magnétique restera pratiquement dans un état démagnétisé (région « IV » sur la Fig. 3). Dès que l'impulsion suivante arrive, la diode se rallume et le circuit magnétique, étant magnétisé, entre rapidement en saturation (région « V » sur la figure 3) et le processus décrit ci-dessus se répète. En figue. La figure 4 montre des exemples d'utilisation de noyaux magnétiques antibruit (les selfs antibruit sont surlignées en rouge, les selfs de stockage à base de noyaux magnétiques MD en alliage amorphe avec un mode de polarisation DC sont surlignées en jaune) : a - stabilisateur d'impulsions ; b - convertisseur push-pull ; c - convertisseur flyback ; g - unité de commande du moteur électrique ; d - convertisseur direct ; e - unité de pont pour contrôler le moteur électrique.
En figue. La figure 5 montre des oscillogrammes comparatifs qui démontrent clairement les avantages des dispositifs de suppression de bruit en alliages métalliques amorphes en utilisant l'exemple d'un convertisseur direct : a, b - ondulation de tension de sortie, fréquence f = 150 kHz, tension de sortie Uout = 15 V, courant de charge IN = 10 A : a - ondulation d'amplitude 67 mV (circuit RC et noyau magnétique en ferrite), b - amplitude de pulsation 45 mV (MP4-2-4.5AP) ; c, d - tension à l'entrée du redresseur (au-dessus - tension à l'anode de la diode, en dessous - courant traversant la diode), f = 500 kHz, Uout = 5 V, lH = 20 A : c - sans utilisation d'amortissement mesures, d - MP4- 2-4.5 ; d, f - tension sur le transistor MOSFET de commutation, fréquence 250 kHz : d - tension maximale 715 V (noyau magnétique de ferrite 4-2-4), f - tension maximale 690 V (MP4-2-4.5) ; g, h - correspondant d, f ondulations de la tension de sortie du convertisseur, f = 250 kHz, Uout = 5 V, 1n = 15 A : g - amplitude de pulsation 140 mV (ferrite et noyau magnétique 4-2-4), h - amplitude d'ondulation 87 mV (MP4-2-4.5).
Dans le tableau Le tableau 1 fournit des recommandations générales lors du choix des circuits magnétiques antibruit utilisés dans les sources pulsées. Une fois le groupe déterminé, une valeur nominale spécifique est sélectionnée sur la base des ratios suivants.
Pour supprimer efficacement le front du courant de récupération de la diode inverse à l'aide de dispositifs monotours, il est nécessaire de remplir la condition 2Фm≥(Ucxtrr), où 2Фm est le flux maximum (double crête à crête) dans le circuit magnétique, Wb ; Uc - tension inverse sur la diode, V ; trr est le temps de récupération inverse de la diode, s. A titre d'exemple, considérons une diode de décharge (commutation) (Fig. 4e) d'un convertisseur direct avec une tension de sortie de 12 V. Le temps de récupération inverse de la diode est de 35 ns, le rapport cyclique est de 0,3 (30 %). D'après le tableau 1, sélectionnez un circuit magnétique cylindrique antibruit. Ensuite, on calcule le côté droit de l'expression : 2Фm≥((12/0,3)х35х10-9)=1,4 мкВб. De la table 2, nous sélectionnons le plus petit noyau magnétique qui satisfait à cette condition - MPZx2x4.5AP.
Pour les appareils multitours, la condition (2ФmxAw)≥(1,5Ucxl0xtrr), où 2Фm est le flux magnétique maximum dans le noyau magnétique, Wb ; Аw est la surface de la fenêtre (enroulement) le long du diamètre interne du corps du circuit magnétique, mm2 ; Uc - tension sur l'élément, V ; l0 - courant d'élément, A ; trr - temps de récupération inverse, s. A titre d'exemple, considérons la diode de décharge (commutation) d'un convertisseur direct avec une tension de sortie de 24 V et un courant de charge de 2 A. Le temps de récupération inverse de la diode est de 60 ns, le rapport cyclique est de 0,3 (30 %). . D'après le tableau 1 sélectionnez un inducteur multitours. Ensuite, on calcule le côté droit de l'expression : (2ФmxAw≥(1,5х(24/0,3)х2х60х10-9)= =14,4 мкВб·мм2 . De la table 3, nous sélectionnons le plus petit circuit magnétique qui satisfait à cette condition - MN080704.5A.
Le diamètre du fil (en mm) et le nombre de tours du bobinage pour le circuit magnétique sélectionné sont calculés à l'aide des ratios suivants : dnp≥(0,5√I0 = 0,7 mm; N≥(3Ucxtrr/(2Фm))=(3x(24/0,3)x60x10-9 /(1,96х10-6))=7,35 витка. On choisit une valeur entière N=8 tours. Le choix final optimal d'une self de suppression de bruit est effectué lors de tests pratiques sur un appareil réel. Des recommandations indicatives pour l'utilisation de circuits magnétiques cylindriques antibruit sont données dans le tableau. 4 (pour les convertisseurs directs) et dans le tableau. 5 (pour les convertisseurs flyback).
Auteur: E. Fochenkov, Borovichi, région de Novgorod
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