Съвременни индуктивни компоненти

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2015

Стефан Куцаров

B много отрасли на съвременната индустрия бързо нарастват броят и разнообразието на електронните устройства за честотни обхвати над десетина MHz вкл. гигахерцовите. Към факта, че по принцип работата при по-високи честоти изисква бобини (Inductor, Coil) с по-малка индуктивност (Inductance) L, се прибавя наличието на множество нови конструкции и технологични подобрения, позволяващи реализацията им с все по-малки размери, тегло и цена.

Друга бързо развиваща се област на приложение са захранванията на електронните прибори, в които бобините работят при честоти рядко надхвърлящи 1 MHz, но със значителни токове. Независимо от тяхната по-голяма индуктивност те също трябва да бъдат колкото е възможно по-малки, леки и евтини, а относителният им дял през последните години нараства. Освен тези две групи съществува значително разнообразие на други видове индуктивни елементи, на които също е отделено внимание в статията.

Класически бобини
Обикновено използваните във фирмената документация термини са Standard Inductor и по-рядко General Inductor, а една от специфичните особености е предлагането им като серии със същия ред на номиналните стойности на L, както при резисторите. Типичните L са от 0,1 mH до около 1 mH и често в каталозите се дават чрез 3 цифри в mH при използване на известните от резисторите принципи.

След първите две цифри и при необходимост с буквата R между тях като десетична точка е третата като множител – той е 1 при цифра "0" или нейната липса, 10 при цифра "1" и 100 при цифра "2". Например R68 е 0,68 mH, 2R2 е 2,2 mH, 330 e 33 mH, 471 е 470 mH и 102 e 1000 mH. Понякога към тях се прибавя буква за производствения толеранс на L, който най-често е ±5%, ±10% и ±20% и се означава съответно с буквите J, K и М и по-рядко ±1%, ±1,5%, ±2%, ±3%, ±7% и ±15% (букви F, Y, G, H, I и L).

Същите означения могат да се поставят и на корпуса на бобините при достатъчно място. За L до стотина mH понякога се използва цветен код (точки или пръстени) за стойността им – неговите първи две цифри я показват в 0,01 mH, а третата е за множителя (10 на степен според цвета). Например виолетов (цифра 7), зелен (цифра 5), кафяв (множител 1=100, тъй като този цвят е за цифрата 0) е L = 75 x 0,01 mH x 1 = 0,75 mH. Аналогично, син (цифра 6), сив (цифра 8), червен (цифра 1, т.е. множител 10=101) е 68 x 0,01 mH x 10 = 6,8 mH и оранжев (цифра 3), бял (цифра 9), оранжев (множител 1000 = 103) е 390 mH.

За корпусите с повърхнинен монтаж (SMD, SMT) често се ползва наименованието Chip Inductor и са в сила международно приетите размери на аналогичните резистори и кондензатори, например 1005 (0402) е 1x0,5x0,5 mm или 1x0,6x0,6 mm в зависимост от производителя. Външният вид на такива бобини е на фиг.1а, а друга негова разновидност e на фиг. 1б с индуктивност L=22 mH. Типичните материали за корпусите са керамика и ферит, което някои производители отбелязват с допълнителна буква C или F в означението.

Бобините от една серия са с определени производствени толеранси, работен температурен обхват и корпус и с различен качествен фактор (Quality Factor) Q, собствена резонансна честота (Self-Resonant Frequency) SRF, постояннотоково съпротивление (Direct Current Resistance) DCR и максимално допустим постоянен ток (Rated Current) IDC или Irms.

Поради зависимостта на Q от честотата и производствените толеранси като параметри понякога се дават неговата минимална стойност (евентуално придружена и от типичната стойност) при определена честота (Test Frequency), както и графики Q(f) за определяне на големината му в честотния обхват на устройството, където е свързана бобината. При това трябва да се има предвид, че Qmin обикновено е около 2 пъти по-малък от типичния, има характерни стойности 10-30 и сравнително рядко е над 50.

Еднаквата конструкция на бобините в дадена серия определя намаляването на SRF с увеличаване на L, а освен това нарастването на L е свързано с пропорционално повишаване на DCR и намаляване на IDC. За практиката е важно, че IDC запазва стойността си до определена околна температура (някои производители дават съответната графика), след което намалява по линеен закон и става 0 при максималната работна температура. Същото е в сила и за другите видове бобини, описани в статията. Освен това за бобините с феритна сърцевина някои производители дават и тока на насищането й.

Две са масово използваните конструкции на класическите бобини, първата от които е с проводник, навит около керамика (Ceramic Core) с кръгло или квадратно напречно сечение и означавана като Wire-Wound Chip Inductor - пример за такава е дадената на фиг. 1в. Основните предимства на бобините с проводник са сравнително малкото DCR и значителните стойности на Q и IDC. Такива бобини са дадените в редове 1, 2, 4, 6, 9 и 11 в табл. 1.

Втората конструкция е на многослойните бобини (Multilayer Chip Inductor), каквито са дадените в редове 3, 5, 7 и 8 на таблицата. Наименованието им се дължи на реализацията чрез керамични пластинки с нанесени върху тях тънки метални слоеве в ролята на навивки (фиг. 1г).

Основните им предимства са по-малките размери и ниска цена за сметка на стойностите на L до няколко десетки mH. За предпазване от външни въздействия част от бобините са с херметизиран корпус (Moulded Inductor). Все още се произвеждат и бобини с радиални и аксиални изводи за монтиране върху печатни платки с отвори или по друг начин, каквато e дадената на ред 10 в табл. 1.

По понятни причини съществуват бобини с феритна сърцевина (редове 1, 3 и 4 на табл. 1), като термините Ferrite Inductor и Iron-Core Inductor не винаги се дават в каталозите. Обикновено те са със сравнително малък IDC (ред 3 на табл. 1). Съществена практическа особеност е, че освен размерите на корпуса в каталозите се дават и тези на изводите за запояване заедно с препоръчваните островчета върху печатната платка.

В табл. 1 са дадени основните параметри на типични класически бобини със само една от стойностите на Q, които за дадена серия обикновено са 2 или повече – например бобината в ред 7 има 4 стойности между 50 при 2,52-7,96 MHz и 20 за 252 kHz. Трябва да се отбележи, че производителите предлагат няколко различни корпуса на дадена серия и за всеки от тях има отделна таблица с параметрите.

Високочестотни бобини
Не съществува точно определение за ВЧ бобини (Inductor for High Frequency Circuits, Inductor for High Frequency Applications, RF Inductor), но може да се приеме, че те са с SFR і 1 GHz при максимална стойност вече надхвърляща 20 GHz. Поради естеството на приложенията им те са с по-малки L от класическите бобини с типични стойности от 0,1 nH до няколко стотици nH.

Индуктивности под 100 nH могат да се означават с две цифри и N като десетична точка, например 2N7 e 2,7 nH, a 56N e 56 nH. По технологични причини при бобини до десетина nH производственият толеранс не се дава в %, а като стойности на индуктивността – най-често ±0,1 nH, ±0,2 nH и ±0,3 nH и код в означението на бобината съответно B, C и G.

Сравнително по-рядко се използват толеранси ±0,05 nH (код А) и ±0,5 nH (код D). При това бобини под 1 nH са твърде неточни, например 0,3 nH ±0,1 nH и дори 0,2 nH ±0,2 nH. Други особености са свързани с Q на бобините – Qmin е между 3 и 20, измерен при честоти в границите 100 MHz – 500 MHz, а типичните му стойности са 20 - 100 за честоти 0,2SFR - 0,5SFR. При неголеми L е възможно бобините да са с много малки корпуси, например този в ред 12 на табл. 2.

Една от разновидностите са многослойните бобини за повърхнинен монтаж, чието съвременно керамично тяло осигурява Q, близък до този на въздушните бобини (Air Core Wound Inductor) с проводник без тяло. Някои производители ги отбелязват като Thin-Film Multilayer Inductor, структурата им е показана на фиг. 2а и такива са дадените на редове, 2, 14 и 20 на табл. 2.

Типични техни приложения са в преносими комуникационни прибори, за реализация на високочестотни модули (усилватели на мощност, управлявани с напрежение генератори), прибори за комуникационни мрежи в гигахерцовия обхват (WLAN, UWB, GPS, Bluetooth). Нарастващите приложения на електронни и комуникационни прибори в автомобилите доведе до създаването на специализирани бобини (ред 14 на табл. 2).

Нарастват приложенията на тънкослойните бобини за повърхнинен монтаж (Thin Film Chip Inductor) със структура на фиг. 2б, която изяснява наименованието им. Такива са дадените в редове 1, 4, 7, 8 и 15. Друга съвременна технология е на бобини с керамично тяло и лазерно изрязване (Ceramic Core/Laser-cut Inductor, Laser Spiral Coated Inductor), при които върху тялото с квадратно сечение се нанася проводящ слой и чрез лазер се изрязва за превръщането му в спирала.

Основно предимство е получаването на значителни стойности на Qmin – бобините в редове 13 и 17 на табл. 2. Друга разновидност са бобините от спирално навит в една плоскост проводник (RF Spiral Wire Inductor), пример за каквато е представената в ред 18 на таблицата.

Използват се и въздушни бобини (редове 11 и 19) само с няколко (до 10) навивки, които по принцип са с най-голям Q и най-малко DCR. Специфична тяхна разновидност са коничните бобини (Conical Inductor), чиято форма (фиг. 3) е предпоставка за увеличаване на SFR, но вместо него и Q се дават 4-те S параметъра. Бобина от този тип е представена на ред 5 в табл. 2, като тя е част от серия с L между 0,22 nH и 8 nH, която може да се използва до 40 GHz.

Мощни бобини
Този тип бобини (Power Inductor) са предвидени за работа със значителен постоянен ток, без да има международно приета норма, над която получават наименованието си. Според каталожните данни може да се приеме, че той е не по-малък от 200 mA, докато горната му граница вече надхвърля 100 А. Максимално допустимият постоянен ток (Rated Current) има две стойности, първата от които IDC (означава се още като Irms и IDT) увеличава температурата на бобината с обикновено DT=40 °С над околната.

Той трябва да се проверява в каталога, тъй като някои производители приемат различна DT, други дават графика DT=f(IDC) и трети – стойностите на IDC за две DT. Сравнително редки са случаите с неизменен IDC в широк температурен обхват. Наличието на DT трябва внимателно да се отчита при монтирането на бобини в прибори, за да се избегне нежеланото им прегряване от сумата на околната температура и DT.

Съществуват бобини с две стойности на температурата (например дадената на ред 14) – тази на корпуса (Operating Temperature), която е дадената в табл. 3, и на околния въздух (Ambient Temperature). Тъй като индуктивността на мощните бобини намалява с увеличаване на постоянния им ток спрямо L без ток, втората стойност е токът на насищане (Saturation Current, Inductance Decrease Current) Isat или Idc1, при който намалението е между 10% и 30% (в зависимост от производителя).

За улеснение на приложенията в някои каталози се дава семейство графики L(IDC) за всяка бобина от дадена серия. Особено полезни са каталозите, които съчетават тези графики с DT=f(IDC) – вж. фиг. 4.

За ограничаване на влиянието на магнитното поле на бобините върху околни елементи се използват екранирани техни конструкции (Shielded Construction, Shielded Type), но има и множество неекранирани (по-малки размери, тегло и цена заедно с принципната възможност за работа при по-високи честоти). Класическият начин за увеличаване на L чрез феритна сърцевина се използва и при мощните бобини. Аналогично на предните два вида и мощните бобини се предлагат в серии с различни основни параметри на всяка от тях.

Типични приложения на тези бобини са преобразувателите на постоянно в постоянно напрежение (DC/DC Converter), токозахранващи модули за вграждане (On-Board Power Supply Module), системи с разпределено захранване (Distributed Power System), LED осветление и др. Все по-масови стават източниците на къси и с голяма амплитуда импулсни смущения като електродвигатели, бензинови и дизелови ДВГ и газоразрядни лампи с голям интензитет (HID Lamp).

Схемите за потискане на тези смущения често съдържат бобини, които не трябва да се насищат при наличие на импулси и да са в съответствие със стандарта AEC-Q200, пример за каквито са серията на ред 14 в табл. 3.

Бобини с навит проводник (Wire-Wound Power Inductor). Значителният постоянен ток определя този вид мощни бобини като най-масово използвани, а примери за типичните конструкции са дадени на фиг. 5а, б. Съществена особеност е стремежът за намаляване на дебелината на бобините (Low Profile Inductor, Flat Plat Inductor) с достигната минимална дебелина 0,6 mm, а външният вид на такава бобина е на фиг. 5в (ред 3 на табл. 3).

Други начини за намаляване на размерите са ползването на плосък проводник за намотката (Flat Wire Coil), пример за което е бобината на ред 6, и интегрален екран за електрическата съставка на полето (Integrated e-Shield) - бобината на ред 13.

Материалът на тялото на бобините обикновено е неметална субстанция, избирана от производителя и споменавана само в някои каталози, например Plastic Moulded Base и Core Material Composite. Съществуват и бобини с тяло от метална сплав (Metal Alloy Power Inductor, Metal Core Power Inductor), примери за които са дадените на редове 6 и 12. Конструктивното оформление е изцяло за повърхнинен монтаж (SMD Power Inductor, SMT Power Inductor), каквито са всички в табл. 3.

Сред малкото примери за бобини с радиални изводи за печатни платки с отвори е 1900R Series на Murata с L между 4,7 mH и 100 mH, ток Isat от 70 mA до 7,8 А, съпротивление DCR в границите 8 - 90 mW и размери 21 mm x Ж12. По-големите индуктивности и съответно увеличаваното тегло са за сметка на намаляване на DCR при големи L.

Многослойни бобини (Multilayer Chip Power Inductor). Техният относителен дял в сравнение с предните е твърде малък, тъй като конструкцията им налага принципни ограничения в стойностите на L и DCR. Използват се основно заради малките си размери. Пример е серията MDT2012-CR на TOKO, състояща се от 3 бобини с L=0,56 mH, 1 mH и 2 mH, токове IDC=1,85 - 2,35 A и Isat от 0,4 А до 1,2 А и DCR = 65 mW - 110 mW, която има работен температурен обхват -40 °С ё +125 °С и размери 2x1,25x0,9 mm.

За някои системи с разпределено захранване вече се предлагат бобини с токове над 20 А. Типичен пример е DPI1210-R22M на производителя 3L Electronic Corp. за IDC = 36 A и Isat = 56 A при L = 0,22 mH и DCR = 0,42 mW, която е с работен температурен обхват -25 °С ё +125 °С и размери 12,3x10,2x7,5 mm.

Дросели
Тези индуктивни елементи (Choke) се свързват последователно в електрическа верига с цел практически да спират протичането на определени променливи токове. В зависимост от начина на свързване и големината на максимално допустимия им постоянен ток има три основни типа дросели.

Високочестотни дросели (RF Choke). Действието им се основава на нарастването на индуктивното съпротивление с честотата, а основните им параметри са както на бобините. Специфична особеност е наличието на значителен брой дросели с аксиални и радиални изводи за печатни платки с отвори, примери за каквито са дадените на редове 1-3 в табл. 4. Индуктивността в някои модели достига до 100 mH, което изисква феритна сърцевина (редове 1 и 2) и съответно DCR е по-голямо, а за означаването й върху корпуса в mH понякога се използва цветен код.

Типични приложения на тези дросели са филтри (RF Blocking and Filtering) в постояннотокови захранвания, вкл. DC-DC преобразуватели, филтри (напр. за 12 kHz и 16 kHz) в комуникационни прибори, автомобилна електроника и др.

Мощни дросели (Power Choke Coil). Наименованието им се дължи на достигащите до 20 А стойности на IDC при запазване на значителните L чрез феритна сърцевина (редове 4-6 на табл. 4). Предлагат се и дросели за автомобили, отговарящи на стандарта AEC-Q200 (ред 4). Специфичната конструкция на някои модели (ред 5) намалява нежеланото бръмчене (Buzz Noise) на феритната сърцевина.

Дросели за потискане на смущения (Common Mode Choke, Common Mode Filter). В един корпус са поставени два еднакви индуктивно свързани дросела със самостоятелни изводи, всеки от които се свързва в един от проводниците на комуникационна линия. Дроселите са с 4 извода (фиг. 6а), а типичният им външен вид е на фиг. 6б.

Действието им се основава на много големия им импеданс за синфазните сигнали (основно смущения по линиите), поради те което реално не ги пропускат, докато за полезните сигнали са практически късо съединение. Това определя приложението им като противосмутителни филтри (EMI Suppression) на входа на електронни устройства, при свързването им към линии и LVDS в прибори с нисковолтова сигнализация.

Основният специфичен параметър е импедансът Z за полезните сигнали, даван при определена честота и често придружен от графика Z(f). Вместо него някои производители посочват стойността на L. Други параметри са максималното постоянно работно напрежение Vdc на двата дросела, постоянното изолационно напрежение (Withstand Voltage) Vdcisol и изолационното съпротивление (Insulation Voltage) Risol между тях. Подобно на бобините и дроселите се предлагат на серии, няколко примера за каквито са в табл. 5.

Специфични индуктивни елементи
Освен разгледаните “класически” индуктивни елементи съществуват множество други с по-тесни, но не по-малко важни области на приложение.

Бобини за транспондери (Transponder Coil, Transponder Inductor). Използват се в осъществяването на безжични връзки с цел задействане и/или изключване на устройства, например системи за идентификация (RFID), дистанционно отключване и обездвижване на автомобили. Основната особеност на бобините са значителната им L (десетки mH) поради ползването на нискочестотни обхвати за връзка. Такива са КТ11835 на KOA, TPL802727 на TDK и Type SA3M08 на ТОКО.

Бобини за усилватели клас D (Inductor for Class D, Inductor for Digital Amplifier). За свързване на изхода на тези усилватели на мощност за звуковъзпроизвеждане към всеки от високоговорителите обикновено се използват две еднакви бобини с индуктивност между няколко mH и няколко десетки mH и позволяващи ток до десетина А. Бобините са в общ корпус, а примери са HA4158-EL на Coilcraft, 7G08B на Sagami и C2DEP1010 на Sumida.

Бобини за безжично зареждане (Wireless Charger Coil). Този нов начин за зареждане на акумулатори изисква комплект от предавателна (Wireless Charging Transmitter Coil) и приемна (Wireless Charging Receiver Coil) бобина. Пример са съответно IWTX-4646BE-50 (размери 46x46x5 mm) и IWAS-4832FE-50 (48x32x1,22 mm) на Vishay Dale.

Бобини с променлива индуктивност (Variable Coil, Tunable Coil). Те продължават да имат своите, макар и не така масови, приложения за ръчна настройка на параметрите на апаратури. Производителят Coilcraft предлага Series 142 от 10 бобини с номинална индуктивност между 63 и 550 nH, Q»120 и IDC от 8,6 до 13,4 А. С номинална L от 50 nH до 2,7 mH при Q»70 е Type 5CCEG на ТОКО.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top