О сердечниках катушек индуктивности

Когда-то в среде "самодельщиков" телевизионных антенн циркулировали мифы о супер эффективности антенны с применением ртути, немного позднее жестяных пивных банок (правда неплохую антенну для Wi-Fi из пивной банки можно сделать, но не телевизионную). Вероятно и по поводу сердечников существуют подобные мифы, тем более сами названия современных магнитных материалов (изоперм, пермендюр) внушают уверенность об их исключительной эффективности. Рассмотрим вопрос применения магнитного сердечника в линейной сигнальной цепи, как он влияет на параметры катушки?

Я не буду углубляться в теорию и рассказывать о диамагнетиках, парамагнетиках, ферромагнетиках, доменах, о петле гистерезиса. Это тема долгого серьезного разговора. Попробую описать доступно, на пальцах.

Итак, магнитный сердечник концентрирует магнитное поле и увеличивает индуктивность при тех же конструктивных параметрах катушки или позволяет уменьшить ее габариты при той же индуктивности. Попробуем подобрать сердечник для фильтра акустической системы - crossover'а для экономии меди. Сердечник должен иметь постоянные магнитные свойства до частот не менее 40 000 Гц при довольно больших токах намагничивания. Какой у нас выбор?

Современные магнитные материалы делятся на три группы:

  • Металлические:
    1. Технически чистое железо (электротехническая малоуглеродистая сталь).
    2. Электротехнические кремнистые стали (трансформаторная сталь).
    3. Железоникелевые легированные кристаллические сплавы – пермаллой, суперпермаллой, муметалл, изоперм, пермендюр, перминвар, алфер, алфенол и т.д.
    4. Аморфные и нанокристаллические материалы – витровак, витроперм
  • Порошковые материалы, магнитодиэлектрики - тонкие порошки карбонильного железа, пермаллоя или альсифера, смешанные с какой-либо диэлектрической связкой.
  • Ферриты - керамические магнитные материалы.

Электротехническая малоуглеродистая сталь может применяться только в цепях постоянного тока, например реле, из-за недопустимо больших вихревых токов на переменном токе и больших потерь на перемагничивание.

Трансформаторная стальстальные сердечники немного лучше. Для уменьшения вихревых токов сердечник набирают из отдельных пластин. Однако выше 1000 Гц такой сердечник имеет недопустимые потери при больших токах намагничивания.

Железоникелевые сплавы имеют очень высокую начальную магнитную проницаемость, могут работать на частотах до 100 Кгц, но при этом у них малая индукция насыщения, т.е. они не могут работать в сильных полях. Зарекомендовали себя как незаменимый материал в магнитных головках магнитофонов, датчиках, магнитных экранах.

Аморфные и нанокристаллические материалы появились позднее чем пермаллои. У них шире частотный диапазон и немного выше индукция насыщения чем у пермаллоя, Применяются как трансформаторы тока в новых электросчетчиках, импульсные трансформаторы в БП, компенсированные дроссели и как более качественная замена пермаллоев.

Магнитодиэлектрики имеют широкий частотный диапазон до десятков мегагерц в зависимости от материала, но малую магнитную проницаемость и индукцию насыщения. Могут работать только в слабых полях. Применяются в технике ВЧ для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек индуктивности и т. п

Ферритыферритовые сердечники обладают наименьшими потерями на вихревые токи и соответственно могут работать на самых высоких частотах из всех магнитных материалов. Однако имеют малую индукцию насыщения. Отличительной особенностью их является сильная зависимость параметров от температуры, а также старение материала, ухудшение его свойств со временем. Область применения каждой марки феррита определяется критической частотой, выше которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость.

 


Можно проследить общую тенденцию – при улучшении частотных параметров материала падает его индукция насыщения, т.е способность работать в сильных полях, а также магнитная проницаемость.
Самое главное, что любой магнитный материал меняет свои свойства в зависимости от частоты и силы намагничивающего поля. А это значит, что катушка индуктивности с сердечником становится нелинейным элементом и вносит нелинейные искажения в проходящий через нее сигнал, особенно при большой индуктивности и силе тока. Ферриты, кроме того подвержены воздействию температуры.

Для чего мы делаем кроссовер?катушка кроссовера Чтобы разделить сигнал по частоте, каждый на свою головку. Это позволит уменьшить нелинейные искажения, немного поднять мощность, улучшить качество звучания акустической колонки. Индуктивность в таком фильтре имеет не малую величину и ток тоже. Поэтому, введя в катушку сердечник (любой!), мы не только не добьемся поставленной цели, но и отдалимся от нее, внеся в сигнал дополнительные искажения. Поэтому придется отказаться от экономии на меди и сделать катушку как на рисунке, без сердечника. Правда в случае мощных акустических систем мы получаем монструозную, тяжелую и дорогую катушку. В таком случае приходится идти на компромис и применять сердечник из высококачественных ферромагнетиков. Но его необходимо расчитать так, чтобы он работал далеко от режима насыщения, а это значит, что его размеры тоже будут внушительны.

Сердечники в виде стальных трубок, стержней из "супержелеза" вообще не имеют смысла, ну разве только в установках индукционного нагрева, там вихревые токи в сердечнике играют положительную роль. В цепях, где уровень сигнала слабый и сердечник далек от насыщения, решающий фактор - граничная частота сердечника. При той же индуктивности сердечник даже увеличивает добротность катушки.
В ВЧ дросселях потери в сердечнике играют положительную роль расширяя его частотный диапазон.
Вывод: к подбору сердечника для индуктивности в сигнальной линейной цепи надо подходить взвешенно, учитывая как частотный диапазон, так и максимальный уровень сигнала, а также величину допустимых искажений.
Это не относится к импульсным сигналам и цепям, там все по другому...