¿Inductores, toroide o EE Core?

Una buena razón para mantenerse alejado de los toroides es que no se pueden poner espacios en ellos porque son un bulto sólido. Sin embargo, con las ferritas EE puede lijar fácilmente la rama central (o colocar espaciadores delgados) y hacer espacios bastante precisos, pero ¿por qué querría hacer esto?, escucho decir a la gente.

Se trata de maximizar el rendimiento de energía para un tamaño de núcleo y una frecuencia de operación dados. A veces (de hecho, bastante a menudo), es necesario hacer un pequeño espacio para reducir la permeabilidad, digamos, de 10 a 1. Una reducción de diez significa que necesita más devanados para obtener la misma inductancia, pero solo necesita la$\sqrt{10}$más bobinados. Esto significa que puede entregar un campo H más grande al primario y tener menos saturación de núcleo.

Esto se debe a que el campo H es amperios-vueltas por metro, donde la parte "por metro" es la longitud magnética media del núcleo: -

Entonces, para la misma inductancia (y, por lo tanto, la corriente de la bobina), las vueltas han aumentado en$\sqrt{10}$y esto hace que el campo H$\sqrt{10}$veces mayor pero, debido a que la permeabilidad ha disminuido en 10:1, el campo B se ha reducido en$\sqrt{10}$aunque el campo H ha aumentado en$\sqrt{10}$. Esto se debe a la curva BH: -

En pocas palabras, al reducir la permeabilidad se reduce la relación B:H. Esta es la razón por la que es posible que desee experimentar con lagunas. La fórmula para la permeabilidad esperada cuando se separa es: -

$\mu_e = \dfrac{1}{\dfrac{1}{\mu_r}+\dfrac{l_g}{l_e}}$

Dónde$l_g$y$l_e$son la brecha y las longitudes medias respectivamente. Esta fórmula se aplica a espacios bastante pequeños que no causan mucha franja.$\mu_e$y$\mu_r$son las permeabilidades con huecos y sin huecos. Entonces, si tiene un núcleo que tiene una permeabilidad relativa sin espacios de 900 e inserta un espacio del 1% de la longitud media, la permeabilidad con espacios se convertirá en 90.

También debe tener en cuenta la capacidad del material del núcleo para manejar la frecuencia de funcionamiento. Tomemos, por ejemplo, el material 3F3 (uno con el que he trabajado recientemente): -

La línea continua es la permeabilidad real y la línea punteada son efectivamente las pérdidas. Para este material, me gustaría operar una aplicación de potencia a no más de 1 MHz; habrá un calentamiento significativo del núcleo a esta frecuencia, pero debería estar bien. Sin embargo, para que un inductor permanezca estable, no lo operaría a una frecuencia superior a unos 300 kHz y esto es para evitar calentar demasiado el núcleo. Calentar el núcleo cambiará la permeabilidad y alterará el valor de la inductancia: -

A 25 °C, la permeabilidad relativa es 2000 y si, debido a pérdidas en el núcleo, la temperatura aumenta a 50 °C, entonces la permeabilidad relativa aumenta a 2500. Esto significa que la inductancia también aumenta en un 25 %. Sin embargo, si se utilizan espacios y giros adicionales para compensar esos espacios, los efectos de la temperatura se aplanan considerablemente.

Considere el material 3F3 sin brechas con una permeabilidad relativa de 2000 que sube a 2500. Ahora considere cuáles son las dos permeabilidades relativas cuando hay una brecha de (digamos) 0,1% de la longitud media. Si hace los cálculos, obtiene 667 y 714, es decir, un aumento del 7,1 % (en oposición a un cambio en la permeabilidad sin brechas del 25 %). Una brecha del 0,5% produciría permeabilidades "antes" y "después" de 181,8 y 185,2, es decir, un cambio del 1,9% y mucho más razonable para un inductor en (digamos) un filtro o un oscilador.

Recuerde, el aumento de temperatura no tiene que provenir del autocalentamiento para afectar la permeabilidad; también se deben considerar los cambios en la temperatura ambiente, pero la brecha es una herramienta muy poderosa para mantener los cambios de inductancia bajo un estricto control.

He trabajado en diseños de núcleo toroidal y EE para inductores PFC. Ambos tienen ventajas y desventajas.

Con un núcleo tipo EE, puede controlar el espacio para obtener una inductancia precisa. Obtendrá una curva plana de inductancia frente a polarización hasta que llegue al punto de saturación, momento en el que la inductancia se reducirá drásticamente. La elección del material central en EE es (según mi experiencia) más grande de lo que puede obtener en forma toroidal, por lo que a menudo puede obtener opciones de material con pérdidas más bajas.

Muchos de los núcleos toroidales para PFC tienen una construcción de "brecha distribuida"; un ejemplo es Kool-Mu de Magnetics Inc., pero hay muchos otros. Este material tiende a tener una permeabilidad más baja, pero tiene una caída de inductancia muy gradual bajo polarización; algunos afirman que es "imposible" saturar un estrangulador Kool-Mu PFC; no es del todo cierto, pero pueden funcionar bajo corrientes de polarización muy pesadas y sobrevivir. . Esto se denomina "estrangulador oscilante" en el lenguaje de las fuentes de alimentación. Tener una mayor inductancia con cargas más ligeras puede ser beneficioso si intenta permanecer en DCM.

Para la creación de prototipos me gustan los toroides. Simplemente puede enrollarlos e instalarlos. Un inductor de núcleo EE necesita una bobina, puede necesitar material de separación, pegamento o epoxi para mantener la separación, etc., etc., etc. Dicho esto, no hay ninguna razón eléctrica para no usar lo que tiene a mano: funcionará bien si su diseño es correcto y el material del núcleo es apropiado.