Миниатюрни бобини, дросели и трансформатори
Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 2, 2011
Бобините (Inductor, Coil), дроселите (Choke) и трансформаторите (Transformer) по принцип са сред обемистите, тежки и сравнително скъпи електронни елементи. Благодарение на прогреса в технологиите през последните десетина години тези техни три параметъра бяха рязко подобрени и днес съществува голямо разнообразие с впечатляващо малки размери и тегло. То е особено съществено в областта на високите и свръхвисоките честоти поради малките индуктивности на елементите, но е не по-малко важно и за много други приложения, например ключовите стабилизатори и захранванията на енергоспестяващи лампи.
Акцентът в статията е поставен върху миниатюрните бобини поради значително по-голямото им разпространение, а от огромното разнообразие на трансформатори са дадени няколко характерни примера с приложения в комуникациите.
Характерни параметри на бобините
Тяхната индуктивност (Inductance) L най-често е в съответствие със стойностите от ред Е12 (производствен толеранс ±10%) и ред Е24 (±5%), но не са рядкост бобини от ред Е48 (±2%), докато по-скоро изключения са такива с толеранси ±1%, ±1,5%, ±4,5% и ±20%. Някои видове бобини до десетина nH е трудно да бъдат реализирани с малки толеранси на индуктивността, поради което те не се дават в % - например 1 nH ±0,3 nH. Често индуктивността се отбелязва върху корпуса в nH с известния от резисторите и кондензаторите цветен код - например сив-червен-черен означава 82 nH.
В самите каталози понякога L в nH се маркира с N (напр. 2N2 е 2,2 nH, a 10N e 10 nH), докато за стойностите в uH има два начина - за тези до 9,1 mH се използва R (R33 e 0,33 mH и 2R7 e 2,7 mH), а за останалите означението е с трицифрено число в nH, като третата цифра е броят на нулите след първите две (153 означава 15000 nH). По принцип стойността на L остава неизменна до определена честота, след което поради паралелния паразитен капацитет импедансът на бобините нараства. Това се оценява като увеличаване на L и затова в каталозите тя се дава при определена честота, например 51nH @ 200MHz.
Често се дава графика L(f), пример за каквато е фиг.1, или таблица със стойностите на L при различни честоти. При постоянен ток IDC през бобината стойността на L започва да намалява над определена негова стойност (стотина mA до няколко А), което в някои каталози се дава като графика L(IDC). Индуктивността зависи и от температурата, като обикновено нараства с увеличаването й, но независимо от това сравнително рядко като параметър се дава температурният коефициент (Temperature Coefficient of Inductance) TCL с типични стойности от няколко десетки ppm/°С до около
150 ppm/°С.
Качественият фактор (Quality Factor) Q също зависи от честотата и стойностите му се представят по подобен начин (фиг. 2). Първоначалното нарастване е заради увеличаващото се индуктивно съпротивление на L, а намаляването при високи честоти се дължи на бързо нарастващите загуби. Като параметър се дава минималният Q при определена честота, равна или различна от тази за L. Индуктивността и паразитният капацитет образуват паралелен трептящ кръг, който определя собствената резонансна честота (Self Resonance Frequency) SRF, а реално бобините трябва да се използват при честоти до няколко пъти по-малки от нея. Други параметри са постояннотоковото съпротивление (Direct Current Resistance) DCR и максимално допустимият постоянен ток (Rated DC Current) IRDC. Вместо последния, някои производители предпочитат максималната средноквадратична стойност на тока Irms, при която температурата на бобината става с 25 °С по-висока от околната. Размерите на голяма част от миниатюрните бобини и на някои дросели са тези на възприетите в резисторите и кондензаторите серии в метричната (инчовата) система 0402 (01005), 0603 (0201), 1005 (0402), 1608 (0603), 2012 (0805), 3216 (1206), 3225 (1210), 4516 (1808) и 4532 (1812).
Практическа особеност на миниатюрните бобини е, че винаги се предлагат като серии с фиксирана конструкция и температурен обхват, като останалите параметри на всяка бобина се дават в таблица. Основните приложения на бобините и необходимите за всяко от тях параметри са дадени в редове 1-4 на табл. 1. Особеност на тези в ред 3 са, че трябва да позволяват голям импулсен ток и феритната им сърцевина да има голяма индукция на насищане, а дадените в ред 4 да са с голяма механична здравина.
Жични бобини
Намотката им е един ред от едножилен лакиран проводник, със или без тяло, което от своя страна може да е немагнитно (керамика) или феритно. Независимо от класическата им конструкция, масово възприето от производителите е неправилното наименование интегрални бобини (Chip Inductor, Chip Coil). Основното им предимство е твърде малкото DCR и съответно възможността за работа с големи токове (реализация на мощни бобини, Power Inductor), а недостатък – ограничението (поради проводника) за получаване на много малки размери и тегло.
Първата разновидност са жичните бобини с немагнитно тяло (Wire Wound Inductor with Nonmagnetic Core), идея за чиято конструкция е дадена на фиг. 3. При производството на залятите бобини (Molded Inductor) те се поставят в калъп, който се запълва със смола, което не позволява замърсяване на намотката и подобрява механичната здравина. Отдолу са двата извода за повърхнинен монтаж, обикновено калай или сплави на сребро (например Ag/Pd+Ni+Sn или Mo/Mn+Ni+Au) за осигуряване на малко омично съпротивление. Намотката на екранираните бобини (Shielded Inductor) е поставена в кожух от тънък ферит за реално избягване на магнитна връзка с околни елементи.
В табл. 2 са дадени основните параметри на серии бобини, като трябва да се има предвид, че SRF, IRDC и честотата ft (Test Frequency), при която се измерва Qmin, намаляват с увеличаване на L. Серията бобини в ред 12 са сред малкото с аксиални изводи, а тези в ред 13 са заляти и екранирани.
Класическият начин за увеличаване на L чрез сърцевина от магнитен материал се използва и при миниатюрните бобини с тази разлика, че цялото им тяло е от ферит (Wound Inductor with Magnetic Core). Резултатът е при запазване на размерите да се осигури по-голяма L с по-малка SRF, както и възможността за получаване на по-големи IRDC. Примери за такива бобини са в табл. 3. Полезно е да се знае, че нерядко производителите предлагат серии, бобините с малки индуктивности в които са с немагнитно тяло, а тези с по-големи – с феритно. Един от примерите е серията в ред 1 на табл. 3, чийто индуктивности до 820 nH вкл. са с керамично тяло, а останалите – с феритно.
Третата разновидност със значително по-малко приложение са въздушните бобини (Air Core Inductor), които са без тяло и магнитна сърцевина, а единствената им намотка има 2-10 навивки от едножилен и достатъчно дебел проводник. Резултатът са малки L и DCR и големи Q, SRF и IRDC. Два примера са дадени в табл. 4.
Слойни бобини
Носят това общо наименование, тъй като намотката им е от тънък спираловидно нанесен метален слой, което осигурява по-нататъшно намаляване на размерите и съответно - теглото на бобините (предимство). Малкото сечение на слоя увеличава DCR и намалява IRDC (недостатък), но от друга страна нагряването от тока е по-малко, а отделянето на топлината от слоя е по-добро в сравнение с жичните бобини, което е сериозна предпоставка за по-широк работен температурен диапазон. Специфична особеност е, че слоят е по-уязвим към механични въздействия, например върху печатната платка, на която е монтирана бобината. В някои каталози се дават препоръки за монтаж: добър пример е показан вдясно на фиг. 4, като островчетата за запояване на бобината са на късите страни на корпуса. Неправилното монтиране е вляво.
Първата разновидност са многослойните бобини с немагнитно тяло (Multilayer Chip Inductor, Multilayer Ceramic Inductor), идея за чиято конструкция е дадена на фиг. 5. Тялото им е от няколко слоя керамика, върху всеки от които е нанесена една навивка. Виждат се връзките между навивките и тези с изводите на бобината. Основните параметри на бобини от този вид са дадени в табл. 5. За разлика от жичните бобини, някои производители дават освен Qmin и типичния Q при по-висока честота, отбелязан в таблицата в квадратни скоби.
Подобна на фиг. 5 е структурата и на многослойните бобини с ферит (Ferrite Multilayer Chip Inductor, Multilayer Magnetic Type Inductor), но керамиката е заменена с ферит. Тъй като позволяват получаването на дадена индуктивност с по-малко навивки и съответно по-нискоомна намотка, чрез тях по принцип могат да се реализират бобини за по-големи токове. Малкото омично съпротивление е съпроводено с повишено заради ферита индуктивно съпротивление, поради което Q на тези бобини обикновено е няколко пъти по-голям от този на аналогичните бобини без ферит. От друга страна, производственият толеранс на магнитната проницаемост на ферита увеличава този на бобината като цяло и затова реалните стойности са 5%, 10% или 20%. Примери за многослойни бобини с ферит са дадени в табл. 6.
Третата разновидност са тънкослойните бобини (Thin Film Chip Inductor, Film Non-Magnetic Type Inductor), които са с най-малки стойности на минимална индуктивност. Структурата им (един пример е показан на фиг. 6) и технологията на производство твърде много наподобяват тези на хибридните интегрални схеми: върху носещата керамична пластинка се нанася тънък меден слой, който чрез ецване се превръща в спираловиден. Центърът и външният край на спиралата се съединяват към двата извода от NiCr, покрити допълнително с Ni и калайдисани. Между пътечките няма ферит, което е предпоставка за неголеми стойности на индуктивността, докато прецизността на технологията обуславя сравнително малки производствени толеранси (дори 1% в някои модели). В редове 1-4 на табл. 7 са дадени няколко примера за серии тънкослойни бобини.
Представителите на последната разновидност условно могат да бъдат наречени бобини с лазерна намотка (Laser Spiral Inductor, Laser-Cut Technology Coil) поради спецификата на своята конструкция – върху тялото им вместо да се навива проводник се нанася меден слой, който чрез изрязване с лазер се превръща в спирала и обикновено се лакира за предпазване от външни въздействия. Очевидно, по своето естество това са тънкослойни бобини с параметри, подобни на предните. Това се вижда и от примерите в редове 5-7 на табл. 7, които са за бобини с керамично немагнитно тяло, този в ред 8 за бобина с феритно тяло и в ред 9 на бобина с тяло от Al2O3.
Дросели
Реално, дроселите (Choke, Choke Coil, Choke Coil Inductor) са бобини с основно предназначение да бъдат включвани последователно в електрическа верига и благодарение на големия си импеданс да отстраняват нежелани електрически сигнали. Същевременно, те трябва да имат достатъчно малко DCR, тъй като в много от приложенията им през тях протича значителен постоянен ток. Специфично изискване е малкият Q, за да не възникват нежелани резонансни явления, но като параметър той обикновено не се дава. Поради спецификата на приложенията, толерансът на L е не по-малък от 10%, а вместо индуктивността като параметър често се използва импедансът Z при определена честота.
В зависимост от конструкцията и съответно приложенията съществуват два вида. Първият носи простото наименование дросел, но се нарича и дросел за диференциален режим (Differential Mode Choke), като реално представлява бобина с достатъчно голяма индуктивност, свързвана последователно в дадена токова верига. Примери за такива дросели са в табл. 8, като този в ред 3 е с многослойна бобина, а останалите – с навит проводник и феритна сърцевина.
Вторият вид са дроселите за синфазен режим (Common Mode Choke, Common Mode Choke Coil), като предназначените за работа в мегахерцовия обхват (основно приложение в комуникационни линии) понякога се наричат бобини за синфазен режим (Common Mode Chip Inductor). На фиг. 7 е дадено символичното означение и идея за основните приложения на тези дросели. Те имат две еднакви намотки с общ феритен магнитопровод, като с точка е отбелязано началото на всяка от тях. Във всеки момент от време полезният сигнал по линията осигурява влизащ ток в едната намотка и излизащ от другата, с което получените магнитни полета се изваждат. В идеален случай полетата са равни, разликата им е 0 и дроселът е късо съединение за полезния сигнал. Същевременно, синфазните сигнали, например индуцирани в линията от външни електромагнитни полета, създават през намотките токове с еднаква посока, полетата им се събират и импедансът на дросела за тях е голям (безкрайно в идеален случай). Резултатът от това е потискане от дросела на нежеланите синфазни сигнали.
Основните параметри на няколко дросела за синфазен режим са дадени в табл. 9. Специфични параметри са максималното постоянно напрежение (Rated Voltage) UR и изолационното съпротивление (Insulation Resistance) RI между намотките. Последните обикновено са навити от проводник, но има и тънкослойни (дроселът в ред 5). За многопроводни линии се произвеждат дросели с три (Tri Choke) и четири (Quad Choke) намотки, като пример за последния е даден в ред 7.
Трансформатори
От голямото разнообразие на трансформатори тук ще бъдат споменати само няколко вида, характерни за комуникационните приложения. Голяма група са широколентовите трансформатори (Wideband Transformer) с долна гранична честота между няколко десетки и няколко стотици kHz и горна – от няколко десетки до няколко стотици MHz. Пример е WB1-1SL на Coilcraft с преводно отношение 1:1 и лента 150 kHz – 500 MHz, в която внесените загуби не надхвърлят 0,7 dB. Той допуска протичането на постоянен ток до 250 mA, има размери 8,26x7,24x5,24 mm и тегло 4 g. Друга група са балун трансформаторите, които по принцип също са широколентови. Пример е 5BH-CXN0004AN2-R на Sagami със схема на фиг. 8а и лента 20 MHz - 1 GHz, в която максималните загуби са 4 dB. Голямо е разнообразието на трансформатори за локални мрежи, които включват и дросели със синфазен режим. Като пример на фиг 8б е дадена схемата на PT61010L LAN 10Base-T на Bourns с размери 11,6x6,9x5,6 mm. За по-бързи мрежи обикновено се произвеждат универсални трансформатори, например PT61024L LAN 10/100/1000 Base-T, който е с 24 извода и размери 14x12,4x6,8 mm.
Вижте още от Електроника
Новият брой 9/2024
