Mini öntött tekercsek használata a helytakarékosság, a veszteségek csökkentése, valamint a teljesítményátvitelnek és a hatásfoknak a javítása érdekében

A tekercsek a feszültségátalakítók és a feszültségszabályozók nélkülözhetetlen fontosságú alkatrészei. Energiatároló és visszatápláló szerepük miatt szinte minden olyan áramkörben megtalálhatóak, amely feszültséget szabályoz. Mivel a készülékek egyre kisebbek lesznek, és egyre energiatakarékosabbaknak kell lenniük, a tervezőknek körültekintőbben kell megválasztaniuk a tekercseket, hogy megfeleljenek ezeknek az elvárásoknak, és egyúttal nagyobb áramerősséget kezeljenek.

A teljesítményveszteségek csökkentése és a hatásfok javítása nagyban függ a tekercs kialakításától és a mag anyagától. Például a mini öntött tekercsek használata csökkenti a tekercsek térfogatát, miközben a hagyományosabb tekercsek összes előnyével rendelkeznek, és jobb az elektromágneses zavarvédelmi árnyékolásuk, nagyobb a teljesítménysűrűségük és kisebb a magveszteségük.

Ez a cikk röviden ismerteti, hogy mik azok a tekercsek, és mi az az induktivitás. Ezután bemutatja az Abracon LLC mini öntött tekercseit, valamint a tekercsek kiválasztásnak és használatának módját.

A tekercsek és az induktivitás

A tekercsek kétkivezetésű passzív alkatrészek, amelyek mágneses mező formájában energiát tárolnak, majd táplálnak vissza az áramkörbe. Általában egy valamilyen mag köré tekert szigetelt huzal alkotja őket. A tekercsre kapcsolt áram az áramerősséggel arányos mágneses mezőt hoz létre a tekercsben. Ha a ráadott áram erőssége változik, az időben változó mágneses mezőt hoz létre, amely elektromotoros erőt (EMF, electromotive force) indukál a vezetőben. Az indukált feszültség polaritása ellentétes az azt létrehozó áramerősség változási irányával. A tekercseket az induktivitásuk jellemzi, amely az indukált feszültségnek és az áramerősség változási sebességének aránya. Az induktivitás mértékegysége a henry (H), amely több menetnek a magra tekerésével, nagyobb keresztmetszetű tekercs kialakításával, a tekercs hosszának csökkentésével vagy nagyobb permeabilitású anyagból készült mag használatával növelhető (1. ábra).

1. ábra: Az ábrán a tekercs induktivitását meghatározó tényezők láthatóak (ábra: Abracon)

A permeabilitás (mágneses vezetőképesség vagy mágneses áteresztőképesség) egy mágneses jellemző, és a nagyobb permeabilitású maganyagokban nagyobb mágneses fluxussűrűséget lehet előállítani, ami több energia tárolását teszi lehetővé. Ezért az induktivitás a tekercs maganyagának permeabilitásával is arányos. A nagy permeabilitású magnak köszönhetően anélkül csökkenthető a tekercs mérete és tömege, hogy az induktivitás értéke csökkenne, ami kisebb és könnyebb teljes tekercset eredményez.

A maganyagok közé tartozik a levegő, a vas, az acél, a vaspor, a fémpor, a kerámia és a ferrit. A ferritek olyan kerámiaanyagok, amelyeket porított vasoxiddal vagy más porított fémekkel kombinálnak, hogy nagy permeabilitású maganyagot hozzanak létre. A pormagok kötőanyaggal kevert és bevonattal ellátott porított mágneses fémekből állnak. A kapott maganyag permeabilitására hatással van a használt fémtípus, a választott kötőanyag, sőt még a keverékben lévő légbuborékok is.

A tekercsek jellemzői

Az erősáramú berendezésekben használt tekercsek főbb jellemzői az induktivitás, az egyenáramú ellenállás (DCR, direct current resistance), a telítési áramerősség, a hőmérséklet-emelkedési áramerősség, a névleges áramerősség, az önrezonancia-frekvencia (SRF, self-resonant frequency) és a jósági tényező (Q, quality factor).

Az egyenáramú ellenállás, amelyet néha vezetékveszteségnek is neveznek, a tekercs egyenáram ráadása esetén mért ellenállása. Az egyenáramú ellenállás az induktivitással egyenes arányban, a vezeték hosszától és keresztmetszetétől függően változik. A teljesítménytekercsek egyenáramú ellenállásának értéke általában néhányszor tíz milliohm (mΩ), hogy a vezetési veszteségek kicsik legyenek. A legtöbb esetben az egyenáramú ellenállást maximális értékét adják meg.

Ahogy a tekercsen átfolyó áram nő, a mágneses mező azzal egyenes arányosan növekszik, amíg a mag anyaga el nem éri a telítődést. Ettől a ponttól a permeabilitás csökkenni kezd. Az áramerősség ezen a ponton túli növekedése az induktivitás csökkenését okozza. A telítési áramerősség az az áramerősség, amikor az ellenállás miatt a névleges induktivitás egy bizonyos értékkel csökken. A teljesítménytekercsek esetében ez a jellemző határérték általában 10–30%-os csökkenésnek felel meg.

A hőmérséklet-emelkedési áramerősség azt az egyenáramszint, amelynél a tekercs tokozásának hőmérséklete 40 °C-kal nő.

A névleges áramerősség a telítési áramerősség és a hőmérséklet-emelkedési áramerősség közül a kisebbik érték, és a tekercset a két határérték közül a kisebbik alatt lehet használni.

Az önrezonancia-frekvencia az a frekvencia, amelyen a tekercs parazitakapacitásának reaktanciája (látszólagos ellenállása) megegyezik a tekercs reaktanciájával. Ezen a ponton a tekercs párhuzamos rezonancia-áramkörként működik. A nettó reaktancia nulla, az impedancia pedig rendkívül magas, és teljes egészében ohmos jellegű. A tekercseket a teljesítmény-áramkörökben általában az önrezonancia-frekvenciájuk alatt használják.

A tekercs jósági tényezője (Q) a hatásfok mérőszáma, és az induktív reaktancia és az ohmos ellenállás hányadosa egy adott frekvencián. Minél nagyobb a Q értéke, annál kisebbek a veszteségek, és annál közelebb áll a tekercs viselkedése az ideális tekercs viselkedéséhez.

Öntött teljesítménytekercsek

Az öntött teljesítménytekercsek olyan felületszerelt eszközök, amelyeknél öntéses eljárással burkolják be magát a tekercset. A huzalból tekercselt hagyományos tekercsekkel ellentétben az öntött tekercsek mágneses poranyagát az öntőformába nyomják a vezetőket körülvevő tekercshuzalok köré. A tekercsmag permeabilitását az öntőanyag (kitöltőanyag) határozza meg, amely általában valamilyen porított fém és kötőanyag keveréke. A porított fémmel való kitöltés esetén a mag lágyabb telítési reakciót mutat, mint ferrit kitöltőanyagok esetén. Emellett ez a megoldás rendkívül hatékony mágneses árnyékolást is nyújt, ami kis mágnesesfluxus-szivárgást eredményez. Az öntött tekercs ellenálló alkatrész, amely alkalmas zord környezetekbe, és védve van a nedvesség, a por, az ütések és a rezgések ellen. Az öntött tekercs nem bocsát ki akusztikus zajt, mivel nem laminált a magja. Az egyszerű, egy darabból álló szerkezet kiváló mechanikai stabilitást nyújt, emellett kis méretű és könnyű.

Az Abracon mini öntött tekercsei az öntött tekercsek minden előnyét nyújtják egy kis, 3 mm-nél is kisebb tokban. Kis méretük mellett a mini öntött tekercsek nagy teljesítménysűrűséget, kis mag- és vezetési veszteséget, valamint kiváló elektromágneses zavarvédő árnyékolást kínálnak.

Az AOTA-B1412 és AOTA-B2012 sorozatú mini öntött tekercsek 0,11 µH és 2,2 µH közötti induktivitási tartományban, 1,4 mm ×1,2 mm és 2,0 mm × 1,2 mm közötti tokmérettel kaphatóak, a legnagyobb magasságuk pedig 0,65 mm. Ezek a tekercsek 1,9 A és 6,4 A közötti névleges áramerősséget kezelnek, és –40 °C és +125 °C közötti hőmérséklet-tartományban használhatóak.

Egy példa az AOTA-B2012 sorozatból az Abracon AOTA-B201208SR11MT, egy 0,11 µH-s felületszerelt mini öntött tekercs 5,6 A névleges és 10 A telítési áramerősséggel (2. ábra). Az egyenáramú ellenállása 13 mΩ, az önrezonancia-frekvenciája 185 MHz. A tekercs egy 2,0 mm × 1,2 mm méretű, 0,8 mm beültetési magasságú tokban van elhelyezve.

2. ábra: Az AOTA-B201208SR11MT egy jellegzetes Abracon mini öntött tekercs 3 mm-nél kisebb felületszerelt tokban, amely védelmet nyújt az olyan környezeti tényezőkkel szemben, mint a nedvesség, a por, az ütések és a rezgések (kép: Abracon)

Az Abracon AOTA-B2012 sorozat felső induktivitási tartományában található az AOTA-B201208S2R2MT jelű tekercs, amelynek induktivitása 2,2 µH, névleges áramerőssége 1,8 A, egyenáramú ellenállása 130 mΩ, önrezonancia-frekvenciája pedig 42 MHz. A nagyobb induktivitás nagyobb tekercsszámot igényel, ami az AOTA-B201208SR11MT jelű tekercshez képest növeli a egyenáramú ellenállást, valamint csökkenti a névleges áramerősséget és az önrezonancia-frekvenciát. A tokméretek megegyeznek az AOTA-B201208SR11MT-éivel: 2,00 mm × 1,20 mm, magasság 0,8 mm.

Az Abracon AOTA-B1412 sorozatra két példa az AOTA-B141206SR33MT és az AOTA-B141206SR47MT jelű tekercs. Ezeknek a mini öntött tekercseknek a legkisebb, 1,4 mm × 1,2 mm méretű és mindössze 0,65 mm magas a tokja. Az AOTA-B141206SR33MT induktivitása 0,33 µH, névleges áramerőssége 3,5 A, egyenáramú ellenállása 32 mΩ, önrezonancia-frekvenciája 120 MHz. Az AOTA-B141206SR47MT induktivitása 0,47 µH, névleges áramerőssége 2,9 A, egyenáramú ellenállása 41 mΩ, önrezonancia-frekvenciája 115 MHz.

A mini öntött tekercsek felhasználási területei

Kis méretük ellenére az Abracon mini öntött tekercsek kis mag- és vezetési veszteségek mellett jelentős teljesítményt kezelnek, miközben kiváló elektromágneses zavarvédelmi árnyékolást nyújtanak. Ezek a tulajdonságok ideális választássá teszik őket az egyre kisebb méretű áramátalakítók iránti példátlan kereslet kielégítésére.

Ezen alkatrészek jellegzetes felhasználási területei többek közt a feszültségleválasztás, a szűrés és az egyenáram-átalakítók (3. ábra).

3. ábra: Az Abracon mini öntött tekercsek jellegzetes felhasználási területei egyebek mellett a feszültségleválasztás, a szűrés és az egyenáram-átalakítók (ábra: Art Pini)

Az integrált áramkörök tápsínről való leválasztása során a tekercs frekvenciával változó impedanciájának és a kondenzátor kiegészítőimpedancia-jellemzőinek kombinációját használjuk a nagyfrekvenciás jelek és zajok csillapítására, leválasztva azokat az integrált áramkör tápbemeneteitől. A leválasztótekercs fontos jellemzői a kis egyenáramú ellenállás és a nagy önrezonancia-frekvencia.

A szűrők a jelútvonal frekvenciaátviteli jelleggörbéjét szabályozzák, és beállíthatóak aluláteresztő, felüláteresztő, sáváteresztő vagy sávzáró szűrőként. A tekercs–kondenzátor (LC) szűrőkkel passzív frekvenciaszűrő jelleggörbét lehet kialakítani olyan kis fogyasztású eszközök számára, amelyek nem igényelnek aktív alkatrészeket.

A tekercsek az egyenáram-átalakítók elsődleges energiatároló elemei. Amíg a kapcsoló zárja az áramkört, eltárolják az energiát, majd amikor a kapcsoló megszakítja az áramkört, visszatáplálják a tárolt energiát az áramkörbe.

Összegzés

Az Abracon mini öntött tekercsek 3 mm-nél kisebb tokban kínálják az öntött tekercsek előnyeit. Kis méretük ellenére jelentős teljesítményszinteket képesek kezelni kis mag- és vezetési veszteség mellett, így kiváló teljesítményátvitelt kínálnak kis méretű elektronikai eszközök formájában.