¿Toride de ferrita vs. polvo de hierro para convertidores reductores?

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

Estoy planeando usar los núcleos para convertidores reductores (principalmente 3 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 reductores 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 amarillos y blancos parecen tener una permeabilidad de 75 y la ferrita tiene una permeabilidad de 2300 aproximadamente. ¿Es esto importante para la saturación?

Tengo algunos toroides y un medidor LCR, y el toroide de ferrita necesita solo unas pocas vueltas de cable para obtener un inductor de 1 mH, frente a 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 con corrientes bajas (0-100 mA) y frecuencias bajas (<100 kHz, ya que puedo obtener más inductancia con menos vueltas). Pero, ¿también son buenos para corrientes más altas (como 5-6 A de pico)?

(PD: También otra razón por la que pregunto, es que en mi casa, los núcleos de ferrita cuestan la mitad del precio de los núcleos de polvo de hierro).

Estaba tratando de resolver esto no hace mucho tiempo. Terminé optando por los núcleos del inductor de potencia de polvo de hierro (amarillo y blanco), pero aprendí que tienen un límite funcional de ~ 1 Mhz debido a 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 alta frecuencia.
Si tiene mucho tiempo para I+D y equipos de medición para fabricar sus propios inductores de potencia, está bien. Pero si quiere convertidores que funcionen, recomendaría comprar inductores completamente caracterizados de profesionales, Coilcraft, TDK, Murata, KEMET, etc. etc., y obtener componentes recomendados por los fabricantes de circuitos integrados en sus listas de materiales.
@Ale..chenski Eso no me ayuda a aprender nada. Además, no estoy construyendo algo para aprobar regulaciones. Además, el precio de los núcleos aquí es de unos 6 centavos cada uno, probablemente cien veces más barato que obtenerlos con hojas de datos.
@Indraneel Para operación discontinua, si necesita planificarlo, puede resolver los detalles de A C ⋅ yo metro m r = m 0 V cima I máximo t en B máximo 2 . ( t en = D F , D es el ciclo de trabajo y F es la frecuencia.) Para operación continua, es A C ⋅ yo metro m r = m 0 L I máximo 2 2 B máximo 2 . A C es la sección transversal del núcleo, yo metro es la longitud del camino magnético, y m r y B metro a X depende del material del núcleo. El material central debe soportar F , también.
@jonk Entonces si I metro a X tiene que aumentar, entonces A C o yo metro tiene que aumentar. Pero m r es muy alto para las ferritas. ¿Es por eso que se usa polvo de hierro? ¿O núcleo de ferrita con huecos? B metro a X es 0,4 tesla para ferritas, ¿verdad?
@Indraneel Es mejor visualizar que la energía magnética recuperable se almacena por completo en el espacio de vacío entre los átomos y los dominios. m r no es más que una proporción del volumen físico que puede medir dividido por el espacio de vacío utilizable para el almacenamiento de energía magnética dentro de ese mismo volumen. Más bajo m r es bueno para volúmenes pequeños, porque le da más vacío por unidad de volumen físico para almacenar la energía requerida. Pero también se necesitan más bobinados para obtener cierta inductancia dada. El espacio agrega MUCHO vacío. Pero por supuesto, baja el efectivo m r , respectivamente.
@jonk pero tampoco quiero una inductancia demasiado alta, porque quiero aumentar Imax, ¿no es así? (suponiendo que Vpeak no sea demasiado alto y que la frecuencia sea >10 kHz).
Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por más de un parámetro, por la forma (y los valores de las esquinas) de su ciclo de histéresis, campo de saturación, pérdidas en varias frecuencias, etc. No puede mapear este espacio paramétrico multidimensional en una sola alineación codificada por colores, cada El material tiene una variedad de propiedades y hay cientos de composiciones de materiales específicas diseñadas para diferentes usos. Sin hojas de datos, un núcleo puede ser cualquier cosa, está perdiendo el tiempo usando eBay.
Aquí hay un ejemplo de codificación de colores, paramétricos y calculadoras útiles sobre una gran variedad de toroides. Disfrutar. kitsandparts.com/toroides.php

Respuestas (2)

Existe 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 transformadores. El azul es un Permalloy costoso que es más eficiente que la ferrita. El verde son filtros de baja frecuencia fabricados con cinta de acero al silicio envuelta para formar un toroide.

Esta tabla es genérica ya que no incluye detalles finos como la permeabilidad y no indica si es hierro, acero, ferrita o permalloy, que es una aleación de níquel-hierro.

Las fuentes de alimentación para PC pueden generar más de 1000 vatios y utilizan núcleos E, ya que son fáciles de enrollar con una 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 cabezas de máquina de bobinado costosas, por lo que los toroides se usan mejor a voltajes bajos donde la cantidad de bobinados es baja, como las fuentes de alimentación del estéreo del automóvil.

NOTA: A veces, razones prácticas determinan qué material y forma de transformador se utilizan, lo que 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 usa. "Solo lo suficientemente bueno" gana la mayor parte del tiempo.

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

Para cubrir todas las variaciones de núcleos fabricados por muchos fabricantes, necesitará un libro lleno de gráficos específicos para cada material de núcleo. Para cualquier núcleo dado de cualquier forma, necesita la hoja de datos o el gráfico del fabricante para ese núcleo para tener una idea de la permeabilidad y los factores de histéresis y los valores de corriente pico 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 ciclo de histéresis, campo de saturación, pérdidas en varias frecuencias, etc. No puede mapear este espacio paramétrico multidimensional en una sola alineación codificada por colores, cada El material tiene una variedad de propiedades y hay cientos de composiciones de materiales específicas diseñadas para diferentes usos. Sin hojas de datos, un núcleo puede ser cualquier cosa.

Enlace a histéresis magnética

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¿Y las ferritas negras sin pintar? Ese es el más barato en mi casa. También se pueden ver dentro de las lámparas CFL. Ya sé que funcionan muy bien a bajas corrientes con un MC34063, y también como ladrón de joyas. Pero, ¿qué hay del convertidor reductor 3A con LM2596?
Para un diseño determinado basado en un PWM IC, el fabricante suele especificar el material del núcleo o un número de pieza con el que puede buscar. Hay muchos fabricantes de toroides en todo el mundo.
Bueno, la hoja de datos LM2596 dice núcleo E de ferrita o bobina de ferrita o toroide de hierro en polvo. Entonces, ¿se debe a que la corriente máxima ya es demasiado alta para los núcleos de ferrita sin un espacio de aire?
Agregué algo más a mi respuesta.
Sí, he visto ese gráfico antes. Es para núcleos de polvo de hierro. Existen otros similares con el código de color amarillo/blanco (Mu=75).
¿Cómo funciona la histéresis para evitar la saturación?
@Indraneel me tomó un momento analizar "ladrón de joyas". Pensé que me había topado con un SE diferente por un momento hasta que me di cuenta de que querías decir "joule". La idea de un ladrón de gatos enmascarado que elige un núcleo de ferrita para ayudar a robar la Pantera Rosa sería un punto de trama increíble.
@jdv aack! LOL. Mi mente realmente parece estar en otra parte últimamente :( ¡Bueno, el gatito (rosa) está fuera de la bolsa! [pero, estoy en India, así que está esto en.wikipedia.org/wiki/Jewel_Thief ] (El primer pantera rosa fue en 1963).
No he visto esto sobre el estándar antes; ¿podría proporcionar un enlace a la documentación de la misma? Eso sería útil para tener más información sobre.

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

La corriente de ondulación del inductor causará más pérdidas en el núcleo del hierro en polvo que en la mayoría de las ferritas. Es bastante normal tener corrientes de ondulación de CA en aproximadamente el 33% de la corriente de carga de CC máxima. Por lo tanto, en un régimen de conmutación de modo de corriente máxima conmutado por hardware ortodoxo, que es más fácil de comprar chips, 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 en el núcleo sean muy bajas.

Los núcleos de hierro en polvo deben manejarse térmicamente con cuidado para evitar el envejecimiento relacionado con la temperatura (lo que conduce a mayores pérdidas, temperaturas más altas y un eventual escape térmico destructivo). El material de ferrita y MPP no tiene este problema.
@ Adam Lawrence. Muy, muy buen comentario. No compre hierro en polvo de hombres extraños. En una vida anterior descubrí esto de la manera más difícil.
Incluso los núcleos de fabricantes de renombre (como Micrometals) deben vigilarse.
¿Toride de ferrita vs. polvo de hierro para convertidores reductores?
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