¿Toroide de ferrita versus polvo de hierro para convertidores reductores?

Me pregunto sobre la diferencia entre la ferrita pequeña (13 mm de diámetro exterior) y los toroides de polvo de hierro blanco amarillo. ¿Los toroides de ferrita se saturarán a una corriente de 5 A?

Estoy planeando usar los núcleos para convertidores reductores (principalmente 3 A a probablemente por debajo de 200 kHz).

Estos son los que estoy viendo:

Ferrita: https://www.ebay.com/itm/Metal-Core-Power-Inductor-Ferrite-Rings-Toroid-Cord-25x10x15mm/310980203521 (también disponible en 13 mm de diámetro exterior)

Polvo de hierro: https://www.ebay.com/itm/7mm-Inner-Diameter-Ferrite-Ring-Iron-Toroid-Cores-Yellow-White-50PCS-LW/181834403242

La mayoría de los convertidores de dólares parecen usar los toroides de polvo de hierro blanco amarillo, como este: https://www.ebay.com/itm/5Pcs-Toroid-Core-Inductors-Wire-Wind-Wound-mah-100uH-6A- Bobina-DIY / 221981982278 .

Al buscar en Internet, los toroides blancos amarillos parecen tener una permeabilidad de 75, y la ferrita tiene una permeabilidad de aproximadamente 2300. ¿Es esto importante para la saturación?

Tengo algunos toroides y un medidor LCR, y el toroide de ferrita solo necesita unas pocas vueltas de alambre para obtener un inductor de 1 mH, en comparación con muchas más vueltas para el núcleo de polvo de hierro. ¿Importará esto si la corriente máxima a través del inductor es limitada?

Supongo que los toroides de ferrita son excelentes a bajas corrientes (0-100 mA) y bajas frecuencias (<100 kHz, ya que puedo obtener más inductancia con menos vueltas). Pero, ¿también son buenos para corrientes más altas (como un pico de 5-6 A)?

(PD: Otra razón por la que pregunto es que, en mi lugar, los núcleos de ferrita son la mitad del precio de los núcleos de polvo de hierro).

— Indraneel
fuente

Estaba tratando de resolver esto no hace mucho. Terminé con los núcleos de inductor de potencia de polvo de hierro (amarillo y blanco), pero aprendí que tienen un límite funcional de ~ 1Mhz debido a las pérdidas de conmutación de polos o algo así, así que me he estado preguntando qué tipo de inductor es utilizado en convertidores de potencia de mayor frecuencia.

— KH

Si tiene mucho tiempo para equipos de I + D y medición para hacer sus propios inductores de potencia, está bien. Pero si desea convertidores que funcionen, le recomendaría comprar inductores completamente caracterizados de profesionales, Coilcraft, TDK, Murata, KEMET, etc., y obtener componentes que los fabricantes de circuitos integrados recomiendan en sus BOM.

— Ale..chenski

@ Ale..chenski Eso no me ayuda a aprender nada. Además, no estoy construyendo algo para aprobar las regulaciones. Además, el precio de los núcleos aquí es de aproximadamente 6 centavos cada uno, probablemente cien veces más barato que obtenerlos con hojas de datos.

— Indraneel

@Indraneel Para una operación discontinua, si necesita planificarlo, puede resolver los detalles desde

\frac{A_{c} \cdot l_{m}}{μ_{r}} = \frac{μ_{0} V_{peak} I_{max} t_{on}}{B_{max}^{2}}

$\frac{A_c\cdot\, l_m}{\mu_r}=\frac{\mu_0\:V_\text{peak}\:I_\text{max}\:t_\text{on}}{B_\text{max}^{\,2}}$ . (

t_{on} = \frac{D}{f}

$t_\text{on}=\frac{D}{f}$ ,

D

$D$ es el ciclo de trabajo y

f

$f$ es la frecuencia). Para una operación continua, es

\frac{A_{c} \cdot l_{m}}{μ_{r}} = \frac{μ_{0} L I_{max}^{2}}{2 B_{max}^{2}}

$\frac{A_c\cdot \,l_m}{\mu_r}=\frac{\mu_0\:L\:I_\text{max}^{2}}{2\:B_\text{max}^{\,2}}$ .

A_{c}

$A_c$ es la sección transversal del núcleo,

l_{m}

$l_m$ es la longitud del camino magnético y

μ_{r}

$\mu_r$ y

B_{m a x}

$B_{max}$ Depende del material del núcleo. El material central debe soportar

f

$f$ , también.

— jonk

@jonk Entonces si

I_{m a x}

$I_{max}$ tiene que aumentar, entonces

A_{c}

$A_c$ o

l_{m}

$l_m$ tiene que aumentar Pero

μ_{r}

$\mu_r$ Es muy alto para las ferritas. ¿Es por eso que se usa polvo de hierro? O núcleo de ferrita con huecos?

B_{m a x}

$B_{max}$ es 0.4 tesla para ferritas, ¿verdad?

— Indraneel

Respuestas:

Hay un estándar de color para los toroides pintados, y el amarillo significa que tiene histéresis para evitar la saturación y está diseñado para inductores de filtro. Pero un efecto secundario es que tiene una permeabilidad muy baja. La ferrita negra suele ser una buena opción para los transformadores. El azul es un Permalloy costoso que es más eficiente que la ferrita. Verde es filtros de baja frecuencia hechos con cinta de acero al silicio envuelta para formar un toroide.

Este cuadro es genérico ya que no incluye detalles finos como la permeabilidad, y no indica si el hierro, el acero, la ferrita o la permalloy, que es una aleación de níquel-hierro.

Las fuentes de alimentación de PC pueden generar más de 1,000 vatios y usan núcleos E, ya que son fáciles de enrollar por máquina, y pueden tener una sección transversal lo suficientemente grande como para manejar hasta 10 amperios / vueltas, y un pequeño espacio de aire de 10 mil ayuda a lote. Los toroides grandes necesitan cabezales de máquinas de bobinado caros, por lo que los toroides se usan mejor a voltajes bajos si el número de bobinados es bajo, como las fuentes de alimentación estéreo del automóvil.

NOTA: Algunas veces, razones prácticas determinan qué material y forma de transformador se utilizan, lo cual no siempre es la mejor opción. El costo y el tamaño compiten con la eficiencia. Las opiniones de ingeniería y marketing y ventas no son las mismas, y quién gana determina qué se utiliza. "Bastante bueno" gana la mayor parte del tiempo.

La histéresis es una brecha en la cual un núcleo de hierro o ferrita necesita un campo magnético más intenso para magnetizar, reteniendo un poco del campo después de que se haya eliminado la corriente. Se necesita una corriente más fuerte de polaridad inversa para invertir los núcleos del campo magnético. En general, un medidor LCR que funciona con pequeñas corrientes de accionamiento mostrará que un núcleo con histéresis incorporado en su material tiene una inductancia mucho menor que un núcleo de las mismas vueltas de cable y la misma sección transversal, pero está hecho de ferrita o Permalloy.

Para cubrir todas las variaciones de núcleos fabricados por muchos fabricantes, necesitaría un libro lleno de gráficos específicos para cada material principal. Para cualquier núcleo dado de cualquier forma, necesita la hoja de datos o la tabla del fabricante para obtener una idea de la permeabilidad y los factores de histéresis y los valores de pico de corriente frente al ancho de pulso. Para citar el comentario de Ali..chenski:

Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por más de un parámetro, por la forma (y los valores de las esquinas) de su bucle de histéresis, campo de saturación, pérdidas en varias frecuencias, etc. No puede asignar este espacio paramétrico multidimensional en una sola línea codificada por colores, cada El material tiene una variedad de propiedades, y hay cientos de composiciones de materiales específicos diseñados para diferentes usos. Sin hojas de datos, un núcleo puede ser cualquier cosa.

Enlace a histéresis magnética

— Sparky256
fuente

¿Y qué hay de las ferritas negras sin pintar? Esa es la más barata en mi casa. También se pueden ver dentro de las lámparas CFL. Ya sé que funcionan a bajas corrientes muy bien con un MC34063, y también como ladrón de joyas. Pero, ¿qué tal un convertidor de dinero 3A con LM2596?

— Indraneel

Para un diseño determinado basado en un IC PWM, la fabricación a menudo especifica el material del núcleo o un número de pieza con el que puede buscar. Hay muchos fabricantes de toroides en todo el mundo.

— Sparky256

Bueno, la hoja de datos LM2596 dice núcleo de ferrita E o bobina de ferrita o toroide de hierro en polvo. Entonces, ¿esto se debe a que la corriente máxima ya es demasiado alta para los núcleos de ferrita sin un espacio de aire?

— Indraneel

Agregué un poco más a mi respuesta.

— Sparky256

Sí, he visto esa tabla antes. Es para núcleos de polvo de hierro. Hay otros similares con el código de color amarillo / blanco (Mu = 75).

— Indraneel

El hierro en polvo es barato y más indulgente cuando se trata de saturación debido a las curvas de BH más graduales. Hay una desventaja cuando se trata de buck y la mayoría de los demás convertidores DC / DC.

La corriente de ondulación del inductor causará más pérdidas de núcleo en el hierro en polvo que en la mayoría de las ferritas. Es bastante normal tener corrientes de ondulación de CA a aproximadamente el 33% de la corriente máxima de carga de CC. Por lo tanto, en un régimen ortodoxo de conmutación de modo de corriente pico de conmutación dura, que es más fácil de comprar, se especifica que obtendrá una menor eficiencia en el hierro en polvo.

Cuando ejecuto hierro en polvo, configuro corrientes de ondulación muy bajas para que las pérdidas del núcleo sean muy bajas.

— Autista
fuente

Los núcleos de hierro en polvo deben gestionarse térmicamente con cuidado para evitar el envejecimiento relacionado con la temperatura (lo que conduce a pérdidas más altas, temperaturas más altas y eventual fuga térmica destructiva). El material de ferrita y MPP no tiene este problema.

— Adam Lawrence el

@ Adam Lawrence. Muy, muy buen comentario. No compre hierro en polvo a hombres extraños. En una vida anterior descubrí esto de la manera difícil.

— Autista el

Incluso los núcleos de fabricantes de renombre (como Micrometals) deben ser observados.

— Adam Lawrence