วัสดุแกนเหนี่ยวนำทั่วไปคืออะไร?

ตัวเหนี่ยวนำส่วนประกอบพื้นฐานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดทำหน้าที่โดยการจัดเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็ก ประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำได้รับอิทธิพลอย่างลึกซึ้งจากวัสดุที่ใช้สำหรับแกนกลาง วัสดุหลักกำหนดคุณสมบัติเช่นการเหนี่ยวนำลักษณะความอิ่มตัวการตอบสนองความถี่และการสูญเสียหลักทำให้การเลือกการออกแบบที่สำคัญ

ทำไมวัสดุหลักจึงมีความสำคัญ

วัสดุหลักของตัวเหนี่ยวนำให้ความสนใจกับการไหลของแม่เหล็กซึ่งจะเป็นการเพิ่มการเหนี่ยวนำเมื่อเทียบกับอากาศที่เทียบเท่า วัสดุที่แตกต่างกันมีคุณสมบัติแม่เหล็กที่ไม่เหมือนใครซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานเฉพาะ พารามิเตอร์สำคัญที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุหลัก ได้แก่ -

• การซึมผ่าน ( $\mu$ - - การวัดว่าวัสดุสามารถรองรับการก่อตัวของสนามแม่เหล็กภายในตัวเองได้อย่างไร การซึมผ่านที่สูงขึ้นโดยทั่วไปจะนำไปสู่การเหนี่ยวนำที่สูงขึ้นสำหรับจำนวนเทิร์นที่กำหนด

• ความหนาแน่นฟลักซ์ความอิ่มตัว ( ${ข}_{SอันT}$ - - ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุดที่วัสดุสามารถรักษาได้ก่อนที่ความสามารถในการพกพาฟลักซ์มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ การดำเนินงานข้างต้นความอิ่มตัวทำให้เกิดการเหนี่ยวนำอย่างรุนแรงและเพิ่มความผิดเพี้ยน

• การสูญเสียหลัก - พลังงานกระจายไปเป็นความร้อนภายในแกนหลักส่วนใหญ่เกิดจากการเกิด hysteresis และกระแสน้ำวน การสูญเสียแกนล่างมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ที่สูงขึ้น

• การตอบสนองความถี่ - คุณสมบัติของวัสดุ (เช่นการซึมผ่านและการสูญเสีย) เปลี่ยนไปอย่างไรด้วยความถี่

ลองสำรวจวัสดุแกนเหนี่ยวนำที่พบมากที่สุด-

1. แกนอากาศ

ในขณะที่ไม่ใช่ "วัสดุ" ในความหมายดั้งเดิม แกนอากาศ (หรือแกนสูญญากาศ) ทำหน้าที่เป็นพื้นฐาน

• ลักษณะเฉพาะ - พวกเขามีการซึมผ่าน 1 ไม่แสดงความอิ่มตัวของแม่เหล็กและแทบไม่มีการสูญเสียหลัก

• แอปพลิเคชัน - เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันความถี่สูง (วงจร RF, เสาอากาศ) ที่ความเสถียรและความเป็นเส้นตรงเป็นสิ่งสำคัญยิ่งและในกรณีที่การเหนี่ยวนำค่อนข้างต่ำต่อเทิร์นเป็นที่ยอมรับ พวกเขายังใช้เมื่อต้องการสัญญาณรบกวนแม่เหล็กน้อยที่สุด

• ข้อ จำกัด - การเหนี่ยวนำต่ำมากสำหรับขนาดที่กำหนดทำให้ไม่สามารถทำได้สำหรับข้อกำหนดความถี่ต่ำและความอดทนสูง

2. เฟอร์ไรต์

เฟอร์ไรต์ เป็นสารประกอบเซรามิกที่ทำจากเหล็กออกไซด์ผสมกับองค์ประกอบโลหะอื่น ๆ (เช่นนิกเกิล, สังกะสี, แมงกานีส) พวกเขามีความแตกต่างจากความต้านทานไฟฟ้าสูงซึ่งช่วยลดการสูญเสียกระแสไหลเวียนอย่างมีนัยสำคัญ

• ลักษณะเฉพาะ - การซึมผ่านสูง (ตั้งแต่ร้อยถึงหมื่นถึงหมื่น), การสูญเสียกระแสไฟฟ้าต่ำเนื่องจากความต้านทานสูงและประสิทธิภาพความถี่สูงที่ดี ความหนาแน่นฟลักซ์ความอิ่มตัวของพวกเขาโดยทั่วไปต่ำกว่าโลหะผสมเหล็ก

• ประเภท -

  • Manganese-Zinc (MNZN) Ferrites - โดยทั่วไปจะใช้สำหรับความถี่สูงถึงสองสามเมกะเฮิร์ตซ์ พวกเขามีการซึมผ่านสูงและเป็นเรื่องธรรมดาในแอปพลิเคชันพลังงาน (เช่นแหล่งจ่ายไฟสวิตช์โหมด, หม้อแปลง)

  • Nickel-Zinc (Nizn) Ferrites - เหมาะสำหรับความถี่ที่สูงขึ้นมักจะขยายออกเป็นหลายร้อย megahertz หรือแม้แต่ gigahertz พวกเขามีการซึมผ่านต่ำกว่า MNZN ferrites แต่รักษาคุณสมบัติของพวกเขาได้ดีกว่าที่ความถี่สูงกว่า ใช้ในสำเนา RF, ตัวกรอง EMI

• แอปพลิเคชัน - ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสลับแหล่งจ่ายไฟการปราบปราม EMI/RFI ตัวเหนี่ยวนำ RF และหม้อแปลง

• ข้อ จำกัด - สามารถอิ่มตัวที่กระแส DC ที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเหล็กผงหรือเหล็กซิลิกอน

3. เหล็กผง

แกนเหล็กผง ทำโดยการบีบอัดอนุภาคเหล็กผงอย่างประณีตแต่ละอันหุ้มฉนวนจากเพื่อนบ้าน ฉนวนนี้ช่วยลดกระแสวนวนได้อย่างมาก

• ลักษณะเฉพาะ - ช่องว่างอากาศแบบกระจาย (เนื่องจากฉนวนกันความร้อนระหว่างอนุภาค) ซึ่งให้ลักษณะความอิ่มตัวของ "อ่อน" (หมายถึงการเหนี่ยวนำลดลงเรื่อย ๆ มากกว่าในทันที) ความเสถียรของอุณหภูมิที่ดีและต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำ ความสามารถในการซึมผ่านของพวกเขาต่ำกว่าเฟอร์ไรต์ส่วนใหญ่ (โดยทั่วไปจะมีสิบถึงหลายร้อย)

• แอปพลิเคชัน - ยอดนิยมในการแก้ไข Power Factor (PFC) เครื่องแปลง Buck/Boost และตัวกรองเอาต์พุตในแหล่งจ่ายไฟสวิตช์โหมดเนื่องจากความสามารถในการจัดการอคติ DC ที่สำคัญโดยไม่ต้องอิ่มตัวอย่างฉับพลัน ยังใช้ในแอปพลิเคชัน RF ที่ช่องว่างอากาศแบบกระจายเป็นประโยชน์

• ข้อ จำกัด - การสูญเสียแกนกลางที่สูงกว่าเฟอร์ไรต์ที่ความถี่สูงกว่าโดยทั่วไปไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูงมากเนื่องจากการสูญเสีย AC ที่เพิ่มขึ้น

4. เหล็กลามิเนต (เหล็กซิลิกอน)

แกนเหล็กลามิเนต โดยเฉพาะ เหล็กซิลิกอน ประกอบด้วยแผ่นบาง ๆ (ลามิเนชัน) ของเหล็กผสมกับซิลิคอนซ้อนกันด้วยกัน การเคลือบจะถูกหุ้มฉนวนจากกันเพื่อลดการสูญเสียกระแสวนซึ่งจะต้องสูงในบล็อกเหล็กที่เป็นของแข็ง

• ลักษณะเฉพาะ - ความหนาแน่นฟลักซ์ความอิ่มตัวสูงการซึมผ่านสูง (หลายพัน) และต้นทุนค่อนข้างต่ำ

• แอปพลิเคชัน : ใช้งานส่วนใหญ่ในแอพพลิเคชั่นความถี่ต่ำและพลังงานสูงเช่นหม้อแปลงไฟฟ้าตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ในแหล่งจ่ายไฟและการสำรองสำหรับการกรองความถี่สาย (50/60 Hz)

• ข้อ จำกัด : การสูญเสียกระแสไฟฟ้าไหลเวียนสูงที่ความถี่สูงขึ้นเนื่องจากธรรมชาติของโลหะทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานความถี่สูง ใหญ่และหนักเมื่อเทียบกับเฟอร์ไรต์หรือแกนเหล็กผงสำหรับค่าการเหนี่ยวนำที่คล้ายกัน

5. โลหะผสมอมตะและนาโนคริสตัล

เหล่านี้เป็นวัสดุที่ใหม่กว่าของวัสดุที่ได้รับแรงฉุดเนื่องจากประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในบางพื้นที่

• โลหะผสมอสัณฐาน : เกิดจากโลหะหลอมเหลวที่เย็นลงอย่างรวดเร็วเพื่อป้องกันการตกผลึกส่งผลให้โครงสร้างที่ไม่ใช่ผลึก (แก้ว)

  • ลักษณะเฉพาะ : การสูญเสียแกนกลางต่ำมากการซึมผ่านสูงและความหนาแน่นฟลักซ์ความอิ่มตัวสูง

  • แอปพลิเคชัน : ความถี่สูงแอพพลิเคชั่นพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ขนาดกะทัดรัดและการสูญเสียต่ำนั้นมีความสำคัญ (เช่นหม้อแปลงไฟฟ้าความถี่สูง, สำเนาโหมดทั่วไป)

• โลหะผสมนาโนคริสตัล : สร้างขึ้นโดยการตกผลึกของโลหะผสมอสัณฐานทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่มีธัญพืชละเอียดมาก

  • ลักษณะเฉพาะ : แม้แต่การสูญเสียแกนที่ต่ำกว่าโลหะผสมอสัณฐาน, การซึมผ่านที่สูงมากและความหนาแน่นฟลักซ์ความอิ่มตัวสูง

  • แอปพลิเคชัน : แอพพลิเคชั่นพลังงานความถี่สูงพรีเมี่ยมหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าที่มีความแม่นยำและโหมดทั่วไปที่มีประสิทธิภาพสูง

• ข้อ จำกัด : โดยทั่วไปราคาแพงกว่าวัสดุดั้งเดิม

บทสรุป

ทางเลือกของวัสดุหลักของตัวเหนี่ยวนำคือการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่เหมาะสมยิ่งขึ้นซึ่งสมดุลความต้องการประสิทธิภาพทางไฟฟ้า (การเหนี่ยวนำการจัดการปัจจุบันความถี่การสูญเสีย) กับข้อ จำกัด ทางกายภาพ (ขนาดน้ำหนัก) และปัจจัยทางเศรษฐกิจ (ต้นทุน) การทำความเข้าใจคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์และการแลกเปลี่ยนอากาศเฟอร์ไรต์เหล็กผงเหล็กลามิเนตและแกน amorphous/nanocrystalline ขั้นสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการปรับแต่งการออกแบบตัวเหนี่ยวนำสำหรับการใช้งานใด ๆ ในขณะที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงพัฒนาไปสู่ความถี่ที่สูงขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นการพัฒนาและการปรับแต่งวัสดุแกนเหนี่ยวนำยังคงเป็นพื้นที่การวิจัยและนวัตกรรมที่มีชีวิตชีวา