Феритові матеріали TDK

Наши партнеры ArtmMisto

На початку 30-х років два професори Токійського Технологічного університету Йогоро Като і Такеши Такеи винайшли ферити - магнітні матеріали, що представляють собою суміш оксиду заліза Fe2O3 з оксидами інших металів (таких як Fe, Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu) і володіють феромагнетизмом. Незабаром після цього, в 1935 році, і була заснована компанія TDK, яка вперше поставила виробництво магнитомягких феритових матеріалів для використання в промисловості та техніці.

Першим продуктом TDK на ринку стали «оксидні кільця» (рис. 1) для виготовлення трансформаторів і котушок індуктивності. Вже з початку своєї історії розвитку пріоритетом для TDK стали інноваційні розробки в галузі поліпшення властивостей феритових матеріалів і пошук нових областей їх застосування в електронній техніці.

Малюнок 1.

Перший в світі феритовий сердечник.

Розглянемо фундаментальне властивість ферритового матеріалу - гістерезис (рис. 2). Нехай спочатку є повністю розмагнічений феррит - точка 0. У міру збільшення прикладається зовнішнього магнітного поля Н, йде процес намагнічування фериту до індукції насичення Bs по кривій 0-1, так званій кривій первісного намагнічування. Далі прибираючи зовнішнє поле, тобто знижуючи напруженість поля до нуля, феррит розмагнічується по кривій 1-2, зберігаючи в відсутності зовнішнього поля магнітний момент, який характеризується величиною залишкової магнітної індукції Br. Магнітна індукція звертається в нуль лише під дією зовнішнього поля Нс, що має напрям, протилежний полю, який викликав намагнічування. Напруженість Нс називається коерцитивної силою. Продовжуючи прикладати магнітне поле в протилежному напрямку, магнітна індукція виходить знову на насичення Bs. При дії на ферит змінного магнітного поля індукція буде змінюватися відповідно до кривої 1-2-3-4-5-1, яка носить назву петлі гистерезиса.

Петля гістерезисного циклу фериту. Н - напруженість зовнішнього магнітного поля. В - магнітна індукція всередині феритового матеріалу.

Умовно в залежності від ширини петлі гистерезиса, ферритові матеріали можна поділити на магнітотверді і магнитомягкие (рис. 3).

• Магнітотверді ферити мають більші значеннями коерцитивної сили Нс і залишкової намагніченості Br. Намагнічуються до насичення і перемагнічуються в порівняно сильних магнітних полях, характеризуються широкою петлею гистерезиса.
• До магнітомягкого феритів відносять матеріали з малою коерцитивної силою Нс і високою магнітною проникністю μ. Вони мають здатність намагнічуватися до насичення в слабких магнітних полях, характеризуються вузькою петлею гистерезиса.

Петля гістерезисного циклу магнітомягкого і магнітотверді феритів.

Одним з важливих параметрів феритових матеріалів є магнітна проникність. Зв'язок магнітної проникності μ, напруженості магнітного поля Н і магнітної індукції В виражається наступною формулою:

μ ab - абсолютна магнітна проникність
μ o - магнітна проникність вакууму (4 π х 10-7 Гн / м)
μ - відносна магнітна проникність.

Абсолютна магнітна проникність μ ab даного матеріалу дорівнює добутку відносної магнітної проникності μ на магнітну проникність вакууму μ o. Відносна магнітна проникність середовища показує у скільки разів індукція магнітного поля в даному середовищі відрізняється від індукції цього ж поля в вакуумі. Відносна магнітна проникність середовища є безрозмірною величиною.

Як видно з вищенаведеної формули, при додатку зовнішнього магнітного поля Н магнітна індукція всередині фериту В посилюється тим більше, чим більше відносна магнітна проникність μ.

У зв'язку з нелінійної залежністю B = f (H) проникність μ не є величиною постійною. На рис. 4 приведена характерна залежність магнітної проникності μ феритового матеріалу від напруженості магнітного поля Н. Тут же представлена ​​крива первісного намагнічування В (Н).

Крива початкового намагнічування і залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля.

Початкова магнітна проникність μ i визначається тангенсом кута нахилу дотичної в точці, де напруженість поля H → 0, до основної кривої намагнічування. Для опису поведінки магнітного матеріалу в змінному магнітному полі вводиться амплітудна проникність μ a, що визначається як тангенс кута нахилу прямої, проведеної з початку координат в точку кривої намагнічування. Максимальне значення проникності μ m досягається при наближенні до області насичення кривої намагнічування, після чого при подальшому збільшенні напруженості магнітного поля H, починається її падіння.

Величина магнітної проникності феритів також змінюється з температурою (рис. 5), як правило, збільшується в міру зростання температури і після досягнення локального максимуму при певній температурі, проникність починає зменшуватися до проникності вакууму μ = 1. Температура, при якій магнітні властивості фериту зникають, називається температурою Кюрі. Ця температура визначається наступним чином: на графіку залежності магнітної проникності від температури відкладається 2 точки 0.2 μ imax і 0.8 μ imax (20% і 80% від максимального значення початкової магнітної проникності, відповідно), проводиться пряма через зазначені дві точки. Перетин цієї прямої з прямою μ i = 1, паралельної температурної осі, дозволяє визначити значення температури Кюрі.

Малюнок 5.

Залежність початкової магнітної проникності від температури.

Характер залежності магнітної проникності від температури залежить від властивостей ферритового матеріалу. Щоб використовувати феррит в широкому температурному діапазоні, він повинен мати стійкі електромагнітні характеристики, зокрема з невеликою зміною магнітної проникності при зміні температури. Як показник зміни проникності від температури вводять температурний коефіцієнт αμ проникності і відносний температурний коефіцієнт αF проникності:

μ ref - магнітна проникність при референсной температурі Т ref
μ T - магнітна проникність при температурі Т Т
Як референсной температури Т ref рекомендується брати 25 ° С. Температура Т належить тому температурному діапазону, в якому планується використовувати феритовий матеріал (зазвичай це -40 ° С, -25 ° С, + 5 ° С, + 55 ° C, +85 ° C).

Зв'язок між відносною магнітною проникністю μ і індуктивністю L виражається наступною формулою:

A e - ефективна площа поперечного перерізу (м²)
l e - ефективна довжина магнітної силової лінії (м)
μ о - магнітна проникність вакууму (4 π х 10-7 Гн / м)
N - число витків.

Виходячи з цієї формули видно, наприклад, що не можна допускати, щоб дросель працював із заходом в область насичення, так як в цій області починає різко падати проникність сердечника, а отже, індуктивність дроселя в цій області суттєво зменшиться.

Для обліку характеру зміни магнітного поля з часом вводиться комплексна магнітна проникність, щоб описати вплив середовища на зсув фази вектора магнітної індукції B по відношенню до вектора напруженості магнітного поля H. Змінне магнітне поле індукує вихрові ЕРС в оточуючих провідниках, при це виникають вихрові струми (струми Фуко), які є джерелом втрат через провідникові провідників.

f - частота змінного магнітного поля (Гц)
Z measured - імпеданс (Ω)
L measured - індуктивність (Гн)
R measured - опір (Ω)

Як видно з представлених формул, μ '- це матеріальна частина, що позначає індуктивну компоненту, а μ' '- це уявна частина, що позначає резистивную компоненту.

Матеріальна складова магнітної проникності μ 'визначає величину запасу магнітної енергії в магнітному речовині, що повертається при розмагнічування, уявна частина μ' 'визначає величину необоротних втрат на вихрові струми, перемагнічування (гістерезис), поглинання в речовині. Характеризуючи втрати, часто користуються поняттям тангенса кута магнітних втрат tanδ речовини. Це безрозмірна величина, що дорівнює тангенсу кута між напруженістю магнітного поля Н і магнітної індукції В, що представляють собою синусоїдальні функції часу. Тангенс кута можна представити в наступному вигляді:

Кут δ називають кутом втрат, оскільки для синусоїдальних величин В і Н магнітні втрати Р = π ƒ У m H m sinδ (де В m і H m - амплітудні величини) пропорційні синусу цього кута, а для малих кутів - самому кутку.

Найважливішою характеристикою магнітних матеріалів є залежність комплексної магнітної проникності від частоти електромагнітного поля (дисперсія проникності). На рис. 5 наведено приклади магнітні спектри (залежно дійсної частини комплексної магнітної проникності від частоти) ряду нікель-цинкових феритів виробництва фірми TDK, що мають різну початкову магнітну проникність в діапазоні від 1 до 10000 МГц. Загальним для всіх спектрів є існування області частот, де значення μ 'залишається постійним. При більш високих частотах магнітна індукція В не встигає слідувати за зміною магнітного поля Н, викликаючи фазовий зсув. Через це дійсна частина проникності μ '(індуктивна компонента) досить швидко падає до дуже малих значень, а уявна частина μ' '(резистивная компонента) починає збільшуватися, і, отже, магнітні втрати зростають. Існує деякий обмежує значення магнітної проникності в високочастотної області, зване межею Сноека (на рис. 6 позначений червоною лінією). Межа Сноека обмежує частотний діапазон, допустимий для використання феритового матеріалу.

Залежність дійсної частини комплексної магнітної проникності від частоти. Межа Сноека.

Видно, що в матеріалах (μi (HF70) = 1500> μi (HF57) = 600> μi (HF40) = 120) з більш високим значенням μi зниження дійсної частини магнітної проникності починається в області більш низьких частот.

Крім того, матеріали (Bs (HF70) = 280 мТл s (HF57) = 400 мТл s (HF40) = 410 мТл) з більш високою індукцією насичення мають більш високу граничну частоту, де вони придатні для використання.

Найбільшого поширення серед магнитомягких феритових матеріалів отримали марганець-цинкові Mn-Zn і нікель-цинкові Ni-Zn ферити (рис. 7). Різноманітність марок Mn-Zn і Ni-Zn-феритів визначається, головним чином, співвідношенням головних компонентів, наявністю легуючих присадок і режимами синтезу.

Mn-Zn і Ni-Zn ферити.

Відмінними рисами Mn-Zn феритів є високі значення початкової магнітної проникності μi і магнітної індукції насичення ВS, при цьому магнітні втрати низькі. Недоліком є ​​невеликий питомий опір, що ускладнює їх використовувати при високих частотах. Пряма обмотка неможлива, а значить, необхідно вводити ізоляційний корпус, що призводить до збільшення маси і габаритів. Межа Сноека, показує, що верхня межа робочої області частот обмежена 1 МГц і менш. Основне застосування Mn-Zn феритів - синфазних дроселі в лініях джерел живлення.

У порівнянні з Mn-Zn ферритами, Ni-Zn ферити мають невисокі значення початкової проникності μi, і магнітної індукції насичення ВS, високі магнітні втрати, проте питомий опір високе, тому пряма обмотка осердя можлива. Ni-Zn ферити використовуються для виготовлення маленьких котушок індуктивності і чіп индуктивностей, помехоподавляющих намистин і фільтрів, поміщених в корпус.

Варто відзначити, що Mn-Zn ферити мають меншу залежністю магнітної проникності від напруженості магнітного поля в порівнянні з нікель-цинковими. Ширина петлі гистерезиса у них менше зважаючи менших значень залишкової індукції і коерцитивної сили при досить високих значеннях індукції. Особливістю марганцево-цинкових феритів є більш високе значення температури Кюрі до порівняно з нікель-цинковими ферритами і менші значення температурного коефіцієнта магнітної проникності.

У таблиці 1 представлені характеристики феритових матеріалів TDK, використовуваних для кабелів круглого перетину (в тому числі намистин), плоских кабелів і конекторів.

Мал. 8 демонструє залежності дійсної та уявної частин магнітної проникності від частоти для матеріалів, зазначених в таблиці 1. Звертає увагу те, що уявна частина магнітної проникності μ˝ досягає максимального значення на частоті, на якій речова частина магнітної проникності μ 'знижується приблизно на половину в порівнянні зі значенням початкової магнітної проникності. Сноек в 1948 р пояснив таку взаємозв'язок існуванням феромагнітного резонансу в поле магнітної анізотропії.

Залежності дійсної і уявної частин магнітної проникності від частоти для феритових матеріалів HF90, HF70, HF57, HF40.

Характеристики феритових Mn-Zn матеріалів, використовуваних для виготовлення синфазних дроселів, представлені в таблиці 2.

Ферити знайшли широке застосування в якості фільтрів, використовуваних як на сигнальних проводах для ослаблення зовнішніх перешкод, так і на проводах живлення для зменшення створюваних ними перешкод.

Один з можливих способів помехоподавленія - використання феритового сердечника як індуктивного елемента. Для звичайного феритового кільця (намистини) провід або протягується через кільце, утворюючи одновиткового котушку індуктивності, або утворює багатовитковому тороидальную обмотку, що збільшує індуктивність і, відповідно, ефективність помехоподавленія. Також використовуються розбірні фільтри в корпусі на засувках. У цьому випадку (при використанні ферритового сердечника як індуктивного елемента) важливо використовувати феритовий матеріал в області частот, де речова частина початкової магнітної проникності μ 'має високе значення, щоб значення індуктивності було найбільшим.

Часто ферритові сердечники використовуються для відсікання перешкод за допомогою імпедансу. У цьому випадку важливо правильно підібрати не тільки матеріал фериту, а й конфігурацію сердечника, кількість витків, щоб отримати імпеданс достатньої величини для досягнення помехоподавленія в необхідній області частот. В цьому випадку перешкоди відображаються, але не зникають. На рис. 9 представлені залежності імпедансу від частоти для кільця типорозміру 20х10х20 з феритових матеріалів HF90, HF70, HF57, HF40, HF30.

Малюнок 9.

Залежності імпедансу від частоти для кільця типорозміру 20х10х20 з феритових матеріалів HF90, HF70, HF57, HF40, HF30.

Для феритового речовини імпеданс носить комплексний характер Z = (R, X). Його активна складова R пов'язана, в першу чергу, з провідністю. Реактивна компонента X визначається ємнісними властивостями.

На рис. 10 (ліворуч) представлені графіки частотних характеристик імпедансу, а також його активної і реактивної складових для намистини типорозміру 6.4х5х3.2 з Ni-Zn фериту HF70. Частота, при якій реактивна X і активна R компоненти імпедансу збігаються, називається феромагнітної резонансною частотою, і залежить від матеріалу фериту. Для Ni-Zn фериту HF70 резонансна частота дорівнює 6 Мгц. Нижче цієї частоти, повний опір визначено в основному індуктивної складової Х. В діапазоні 6 МГц - 100 МГц, ситуація змінюється, тепер активна складова імпедансу R домінує, саме в цій області перешкоди можуть бути поглинені (без відображення).

Малюнок 10.

Частотні характеристики абсолютної величини імпедансу | Z | = √ R² + Х² (а також активної R і реактивної X складових) і абсолютної величини магнітної проникності | μ | = √ μ'2 + μ''2 (а також дійсною μ ' і уявної μ '' частин) для намистини типорозміру 6.4х5х3.2 з Ni-Zn фериту HF70. Кількість витків = 1.

На рис. 10 (праворуч) представлені залежності модуля комплексної магнітної проникності, його дійсної і уявної частин від частоти, розраховані з частотних характеристик імпедансу. Як видно з представлених графіків, є взаємозв'язку між μ 'і L (X), μ' 'і R, | μ | і | Z |, відповідно. Нижче резонансної частоти, початкова магнітна проникність визначена в основному речової складової μ ', а вище - уявна складова проникності μ' 'домінує.