Съвременни индуктивни компоненти

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 4/2018 • 14.06.2018

Съвременни индуктивни компоненти
Съвременни индуктивни компоненти

Макар че бобините са сред първите създадени електронни елементи, те продължават да се използват масово и днес. Нещо повече, благодарение на развитието на технологиите през последното десетилетие, те вече са част от устройства с малки размери и дори т. нар. електроника в облеклото. Същевременно, твърде бързо нараства относителният дял на мощните бобини и продължава да се увеличава максималната работна честота на високочестотните.

 

Тъй като темата за индуктивните компоненти е разглеждана на страниците на сп. Инженеринг ревю (бр. 4/2015), в настоящата статия са отразени новостите от 2016 - 2018 г. При избора на индуктивни компоненти за разработвано изделие е добре да се има предвид, че някои наричат бобините Coil, други – Inductor, а трети Coil/Inductor, но не трябва да се забравя, че coil са бобини от навит върху тяло проводник, а по-общият термин inductor включва и други начини на реализация като спираловидно нанесен проводник върху носеща повърхност, например печатна платка или подложка на интегрална схема (ИС).

Мощни бобини
Наименованията им Power Inductor, High Power Inductor, High Current Power Inductor се дължат на значителния максимален постоянен ток (Rated Current) IDC и даваната в някои случаи вместо или заедно с него най-голяма средноквадратична стойност Irms – техните типични граници се виждат от колона 5 на табл.1. В някои каталози е отбелязано с колко градуса нараства температурата на бобината при тях спрямо температурата без ток.

Индуктивностите (Inductance) L на бобините са в съответствие със стандартите за съпротивленията на резисторите, а производствените им толеранси най-често са ±20%, означавани с буква М, по-рядко ±30% (буква N) и в отделни случаи ±5% (J), ±10% (К) и +40/-20% (P). Реално L не е константа, а намалява с увеличаване на тока и понижаване на температурата, като в техническата документация обикновено се дават графики на двете зависимости. При тока на насищане (Saturation Current) Isat стойността на L е обикновено с около 30% по-малка от тази без ток.

Класическите параметри качествен фактор (Quality Factor) Q и собствена резонансна честота (Self-Resonant Frequency) SRF се използват рядко при мощните бобини и затова невинаги се дават в каталозите. Често, макар и невинаги, параметър е честотата (Test Frequency), при която са измерени останалите параметри – най-често 100 kHz. Съществено за приложенията е постояннотоковото съпротивление (Direct Current Resistance) DCR, тъй като нагряването на бобините зависи от IDCxDCR. Освен това като параметър трябва да се ползва температурата във вътрешността им (работна температура - Operating Temperature) Top, която е по-висока от околната. Сравнително рядко параметър е максимално допустимото постоянно напрежение (Absolute Maximum Voltage) с типични стойности 20-30 V.

Конструкции. В зависимост от начина на монтаж има бобини за платки с отвори (Through Hole Inductor) и за повърхнинен монтаж (SMD Inductor), като таблиците в статията съдържат примери само за последните. Според конструкцията съществуват екранирани бобини (Shielded Coil), неекранирани (Non-Shielded Coil) и бобини с частично екраниране (Semi-shielded Coil), като първите са особено подходящи за апаратури с плътен монтаж на елементите поради малкия специфичен шум (Buzz Noise), който създават. За устройства с малки размери се препоръчват миниатюрните (Miniature Power Inductor) и тънките (Low Profile Power Inductor) бобини, а пример за последните е серията на ред 3 в табл. 1, която е и сред тези с най-голям IDC. И не на последно място съществуват мощни бобини със сърцевина от ферит (Ferrite Core, Ferrite Body) или друг прахообразен магнитен материал. Полезно е да се има предвид, че част от конструкциите на мощни бобини са подходящи за автоматичен монтаж.

Типични приложения. Те включват всякакви видове преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение (DC/DC Converter, VRM), течнокристални дисплеи, компютри, преносими комуникационни устройства. Бързо нараства използването им в автомобилостроенето, където трябва да са в съответствие с действащите стандарти за автомобилна електроника.

В табл. 1 са основните параметри на серии мощни бобини. От специфичните особености могат да се отбележат малките производствени толеранси и голямата SRF на бобините в серията на ред 6, сравнително големите стойности на L в сериите на редове 11 и 17 и широкият температурен обхват на тази на ред 15.

Високочестотни бобини
Тази категория (RF Coil, RF Inductor, Microwave Inductor) са предназначени за честотен обхват, започващ от няколко стотици MHz (няма международно приета стойност за началото му) и вече приближава 20 GHz. Той обуславя малки индуктивности и съответно принципната възможност те да са с намалени (в сравнение с мощните бобини) производствени толеранси – често ±10% и ±5% (означаван с буква J) и по-рядко ±4,5% (Y), ±3% (H), ±2% (G), ±1,5% (X) и ±1% (F). За индуктивност до десетина nH се предпочита задаване на толеранса като стойности около номиналната (буква W за ±0,05 nH, B за ±0,1 nH, С за ±0,2 nH, S за ±0,3 nH и D за ±0,5 nH).

За разлика от мощните бобини тук важни параметри са Q и SRF, а съществената за приложенията максимална работна честота на бобините зависи от схемата на свързването им, но е поне с няколко десетки процента по-малка от SRF. При използването на ВЧ бобините не трябва да се забравя, че L остава неизменна само до определена честота и след нея нараства, но в каталозите невинаги има графики L (f).

По-сложна е зависимостта на качествения фактор Q – той силно нараства до определена честота, след която намалява, но графиките Q (f) също са рядкост. Вместо тях понякога се дават таблични зависимости на Q от f, например серията на ред 9 от табл. 2 има Qmin=8, а при 1,8 GHz типичната му стойност достига 244. Сравнително неголемите стойности на IDC в повечето модели и малкото DCR в част от тях обуславят по-слабо нагряване на ВЧ бобините в сравнение с мощните (температурата им при максималния IDC нараства с не повече от 15-20%) и поради това параметър е обхватът на околната температура (Ambient Temperature) TA. Независимо от това някои производители определят IDC като тока, при който температурата на бобината нараства спрямо ТА с определена стойност и/или определят ТА като тази, до която е в сила стойността на IDC от каталога и добавят температурния обхват с ток, по-малък от IDC.

Конструкции. Първият тип са въздушните бобини (Air Coil, Air Core Inductor), чийто достатъчно дебел проводник позволява да са без носещо тяло, имат кръгло напречно сечение (ред 1 на табл. 2) или правоъгълно (серия AS06 на AVX) и предимствата на големи Q и IDC. Подобни са жичните бобини (Wire Wound Inductor), но техният меден или алуминиев проводник е с много тънък изолационен слой и е навит върху носещо тяло. В масово разпространената им разновидност Wire Wound Ceramic Inductor то е керамично, в табл. 2 тя е означена с “керамично тяло” и пример за структурата й е даден на фиг. 1а, която е на серията LQW04AN_00 на Murata.

Съществуват и бобини с феритно тяло, каквито са част от тези на ред 4. Следващата стъпка за реализация на ВЧ бобини е многослойната структура (фиг. 1б е корпусът 0402 на серията LQG15HN на Murata), а по-нататъшно намаляване на размерите се постига чрез тънкослойната структура (Film Structure) – показана е на фиг.1в, а ползващата я серия Accu_L 0201 на AVX е с размери 0,6x0,325x0,225 mm. Успехите в новата област на органичната електроника не отминават и ВЧ бобините – пример е патентованата многослойна структура на серията на ред 2 в табл. 2 с тяло от органична материя, която обуславя много малки загуби и голяма стабилност на параметрите в широк честотен обхват.

Типични приложения. Те включват съвременните телевизионни приемници, спътникови комуникационни системи (напр. GPS), преносими комуникационни и компютърни устройства, автомобилна електроника, за реализация на лентови филтри и схеми за резонансно съгласуване.
Таблица 2 съдържа характерни серии ВЧ бобини, като е полезно да се има предвид, че относителният дял на бобините над 100 nH е относително малък и че обикновено моделите в една серия са с различни производствени толеранси. Известно неудобство създава фактът, че някои производители не дават в каталога работния температурен обхват.

Класически бобини
Наименованието им (Inductor for General Circuits, Standard Inductor, General Inductor, Fixed Inductor) се дължи на приложенията в утвърдени от десетилетия области, където те работят до по-ниски честоти в сравнение с ВЧ бобините и стойностите на SRF (понякога се означава като fres) не надхвърлят няколко стотици MHz, а може да са дори под 1 MHz. Kласическите бобини са от навит върху тялото им проводник и в каталозите са част от раздел Wire Wound Chip Inductor.

За съчетаване на по-големите им индуктивности с изискванията за малки размери практически задължително е ползването на ферит. В част от бобините (дадените на редове 1-5 в табл. 3) от него е тялото им (Ferrite Bobbin) и то осигурява затворен магнитен поток, който реално не пречи на работата на околните елементи и съответно е предпоставка за плътен монтаж. Използват се бобини и с класическата феритна сърцевина (Ferrite Core), каквито са тези на редове 6-9. Не са рядкост производителите, които предлагат двойки серии с един и същи корпус, но едната е без, а другата с ферит – това например са бобината на ред 4 в табл. 3 и ВЧ бобината CCSP 0805 C.

Индуктивността L намалява с увеличаване на тока (типично с около 10% между 0 и максималния), но графики на зависимостта невинаги се дават в каталозите. Обикновено няма изисквания за малки производствени толеранси на L, поради което те рядко са под ±5%. Вместо тока IDC като параметър рядко се ползват Irms или Isat, но и трите водят до нагряване на бобината.

Конструкции. За осигуряването на малки размери корпусите вече почти задължително имат за изводи прилепени до тях метални лентички (сребърни или посребрени освен класическите калайдисани медни и безоловни) или островчета, което е отразено чрез термина Chip Inductor. Върху част от тези корпуси е възможно нанасяне на стойността на L в mH, например 22N e 0,022 mH, R22 e 0,22 mH, 2R2 e 2,2 mH, 220 e 22 mH, 221 e 220 mH, 222 e 2200 mH и 23 e 22 000 mH. За най-малките корпуси се ползват цветни точки, чието значение обикновено се дава в каталозите. Сериозно внимание се обръща на голямата надеждност на бобините, като част от корпусите са с повишена издръжливост на удари, натиск, резки промени на околната температура и влажност, а изводите им – на опън.

Типични приложения. В голямата си част те повтарят тези на мощните бобини, като трябва да се отбележи, че много от преобразувателите на постоянно в постоянно напрежение са сравнително маломощни и ползват класически бобини. Многобройни са приложенията на класическите бобини в индустриалната и битовата електроника, автомобилната електроника, в сигнално-охранителната техника, за реализация на изглаждащи и развързващи филтри.

Дросели за синфазни смущения
Синфазните смущения, наричани и синфазни шумове (Common Mode Noise), представляват индуцирани от външни магнитни полета токове с еднаква посока през проводниците на комуникационни и компютърни мрежи или създадени от работата на устройства, свързани към електрическата мрежа. За отстраняването им или по-точно за тяхното достатъчно намаляване, всеки от проводниците на мрежата трябва да съдържа потискащ филтър (EMI Suppression Filter). Един от методите за реализация на филтрите е поставяне във всяка от двупроводните линии на мрежата на дросел за синфазни смущения (Common Mode Choke) CMC, състоящ се от две еднакви бобини с общо тяло и максимално силна индуктивна връзка (символично означение на фиг. 2а).

Токовете в една посока през двете бобини обуславят импеданса за синфазни смущения (Common Mode Impedance) ZCM, който намалява амплитудата им и определя филтриращите свойства. Параметър е стойността на ZCM при определена честота (Test Frequency) ftest, а от графиките ZCM(f) може да се определи неговата стойност при произволна честота заедно с максималната честота, до която СМС може да се използва. За предаваните по линията полезни сигнали импедансът (Differential Mode Impedance) на СМС е практически 0 и реално те преминават без промяна. Важно качество на СМС е, че практически не променят формата на правоъгълните импулси по линията, което е случаят на ползване на отделни бобини във всеки от нейните проводници.

При дроселите за синфазни смушения Q не се използва като параметър. Освен ZCM специфичен параметър на СМС е изолационното съпротивление (Insulation Resistance) Rins между бобините, което обикновено се определя при максималното постоянно работно напрежение (Rated Voltage) Vdc върху бобините, прилагано за не повече от 1 min. Също специфичен параметър е постоянното напрежение на издръжливост (Withstanding Voltage, Dielectric Strengh) VWS, което е допустимо да се приложи между бобините за време 1-5 s и което обикновено е 2,5 VDC.

Конструкции. Необходимостта от максимално силна индуктивна връзка между бобините налага ползването на феритна сърцевина, която може да е пръчковидна или тороидална, като е добре да се има предвид, че значителна част от СМС с тороидална сърцевина са с корпус за монтаж върху платка с отвори. Според начина за навиване и разполагане на бобините върху сърцевината има два типа СМС. Първият са тези с бифилярно навиване (дадените на редове 1-4, 7, 8 и 12 на табл. 4), примери за конструкции има на фиг. 2б, в и като параметър при тях се използва ZCM.

При втория тип (редове 5, 6, 9-11) всяка от бобините е навита върху половината от задължителната тороидална сърцевина. Това обуславя по-големи Vdc и VWS, прави излишен Rins и вместо ZCM се използва индуктивността L на бобините. Освен това в редки случаи (например СМС на ред 10) като параметър е разликата (Inductance Balance) между L на двете бобини (не повече от 150-800 mH за конкретната серия). В други случаи (ред 9) параметри са SRF и импедансът при тази честота, която реално е максималната работна честота.

При ползването на СМС от втория тип, предназначени за електрическата мрежа (AC Common Mode Choke), трябва да обръща внимание на значителното им нагряване поради тока, например температурата на тази на ред 10 е допустимо да надхвърли околната с 45°С.
Типични приложения. Те са за свързване на устройства в мрежи, за намаляване на смущенията от постояннотокови захранвания, вкл. ключови стабилизатори по захранващата ги електрическа мрежа.
Основните параметри на характерни СМС са дадени в табл. 4, като този на ред 8 е в съответствие с AEC-Q200.

Бобини за безжично зареждане
Идеята и първият експеримент за безжично прехвърляне на електрическа енергия с цел управление на уреди датира от последните години на XIX век, но едва наскоро тя започна да намира практическо приложение при зареждането на акумулатори. По обясними причини най-бързо се развива разновидността й за преносими прибори, важна роля за което има международният Wireless Power Consortium (WPC) със създаването на стандарта Qi. Той се спазва от практически всички производители, тъй като позволява свързването на всеки прибор към произволно зарядно устройство, а прехвърлянето на енергията става чрез електромагнитни вълни от предавателната (Wireless Power Charging Transmitter Coil) TxC към приемната (Wireless Power Charging Receiver Coil) RxC.

Тяхната еднослойна намотка е залепена през изолация върху пластинка от материал с голяма магнитна проницаемост (типични стойности 20-30). Той е от железен прах (Powdered Iron), каквито са бобините на редове 3 и 4 в табл. 5 или ферит (Ferrite Sheet) – редове 5 и 6. Намотката може да е кръгла, квадратна или правоъгълна, като последните две имат по-голям Q и могат да осигурят 2-3 пъти по-силно магнитно поле. Специфични параметри на бобините са максималната мощност Р, която може да бъде излъчена или приета и ефективността (Efficiency) на приемането на енергията. Последната показва каква част от излъчената мощност се приема и се измерва чрез двойките предавателна бобина - измервателна бобина и измервателна бобина - приемна бобина.

В табл. 5 са дадени основните параметри на бобини, като последната колона показва, че в някои случаи част от моделите може да са кръгли, а другата – правоъгълни. Има производители, които като параметри дават само L и Q – пример е приемната бобина WR111180-49F5-G на TDK с L=31,8 mH±5%, DCR=1,34 W и размери Ж11x1,6 mm.

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0/2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top