Классификация магнитных материалов. Ферриты

 

Рис. 8. Классификация магнитных материалов

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые. В отдельную группу выделяют материалы специализированного назначения.

К магнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т.п.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми – с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а в лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м.

По масштабам применения в электронной технике среди материалов специализированного назначение следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства. Детальная классификация магнитных материалов, положенная в основу их изучения, дана на рис. 8.

Ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Общая химическая формула: MO∙M'O∙Fe2O3, где M означает такие двухвалентные металлы, как Ni, Mn, Li, Cu, Pb, a M' – Zn и Cd.

Большое удельное сопротивление ρ, превышающее ρ железа в 103 - 1013 раз, а, следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Получение ферритов. Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоте технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных магнетиков.

При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Общая технологическая схема производства ферритов во многом аналогична схеме производства радиокерамики. Однако при получении материалов с заданными магнитными свойствами предъявляются более жесткие требования и исходному сырью в отношении его химической чистоты, степени дисперсности и химической активности. В отличие от электрорадиокерамики ферритовая керамика совершенно не содержит стекловидной фазы; все процессы массопереноса при синтезе соединения и спекания изделий происходят лишь за счет диффузии в твердой фазе.

Исходные окислы подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола, а затем после брикетирования или гранулирования массы осуществляют предварительных обжиг с целью ферритизации продукта, т.е. образования феррита из окислов. Ферритизованный продукт вновь измельчают и полученный таким образом ферритовые порошок, который идет на формовку изделий. Предварительно его пластифицируют, причем в качестве пластификатора обычно используют водный раствор поливинилового спирта.

Формование изделий наиболее часто осуществляют методом прессования в стальных пресс-формах. Высокой производительностью формовки отличается также метод горячего литья под давлением. В этом случае в качестве пластифицирующего и связующего вещества применяют парафин. Отформованные изделия подвергают спеканию при температуре 1100 – 1400^оС в контролируемой газовой среде. Контроль за составом газовой среды особенно необходим на стадии охлаждения, чтобы предотвратить выделение побочных фаз. Наибольшей чувствительностью к изменению давления кислорода характеризуются ферриты марганца и твердые растворы ни их основе. В процессе спекания завершаются химические реакции в твердой фазе, устраняется пористость, фиксируется форма изделий. За счет процесса рекристаллизации материал приобретает определенную зеренную структуру, которая существенно влияет на магнитные свойства керамики.

Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, не позволяющими производить обработку резанием и допускающими только шлифовку и полировку. Для этих видов механической обработки широко используют порошки карбида кремния и абразивные инструменты из синтетических алмазов.

Катушки индуктивности для ГИС. Поскольку высота корпуса ГИС равна 3—6 мм, применение в них обычных каркасных катушек индуктивности невозможно. Требованиям гибридной технологии отвечают лишь миниатюрные катушки, например плоские, на ферритовых сердечниках тороидальной формы и пленочные. К контактным площадкам приваривается эмалированный медный провод. В стандартном исполнении контактные площадки покрывают сплавом серебра и палладия, рассчитаны они на контактирование с проводящим клеем или припоем. Максимально допустимое время пайки при 513 К составляет 10 с. Возможно увеличение до 20 с, для индуктивностей с керамическим каркасом, выполненных по заказу с усиленной металлизацией контактных площадок (медь по золоту).

Чип-индуктивности представляют собой многослойную конструкцию из чередующихся слоев магнитного материала и электропроводящих паст, заключенную в прямоугольный монолитный корпус. Фактически такая конструкция имеет собственный магнитный экран (рис, 9). Удержание магнитного потока внутри корпуса позволяет использовать компонент в аппаратуре с высокой плотностью монтажа, (всего 2,5 мкм один относительно другого), поскольку наводки от него сведены к минимуму.

 

Рис. 9. Схематическое представление принципа работы (a), структуры (б) и общего вида конструкции чип-индуктивности (в); 1- магнитный материал; 2- внутренний проводник;

3- внешний электрод; 4- силовые линии магнитного поля.

 

Испытания показали их высокую надежность. Внешние электроды катушек индуктивности изготовляют методом электролитического осаждения, они хорошо выдер­живают тепловые нагрузки при пайке.

Катушки индуктивности для ГИС, изготавливаются с использованием технологии композитных материалов.

Корпуса катушек индуктивности, используемые в ГИС, должны быть тщательно согласованы по ТКЛР с подложками ГИС. Это легко достижимо для изделий в керамических корпусах. Изделия в ферритовых корпусах (на более высокие номиналы индуктивности), хотя и имеют больший ТКЛР, чем их керамические аналоги, обычно остаются совместимыми с керамическими подложками толстопленочных ГИС. Сложнее обстоит дело в случае использования перспективных слоистых пластмассовых подложек, которые на стыке с корпусом смонтированного на поверхность компонента дают сдвиговые напряжения, способные привести к обрыву цепи или даже к повреждению компонента.

Таблица 1

Сведения о конструкциях катушек индуктивности и некоторые формулы для определения их основных параметров

№ п/п	Конструкция компонента	Расчетные формулы
1	Однослойная КИ	(1) Для намотки с шагом:  (2) Для сплошной намотки:  (3), где α- коэффициент неплотности (см. табл.2)
2	Многослойная КИ	(4) где ω - общее число витков. (5,6) где α - коэффициент неплотности (см. табл.2), ω1 - число витков в одном слое; n - число слоев
3	Секционированная КИ	(7), где m - число секций; L1 – индуктивность одной секции

Продолжение таблицы 1

№ п/п	Конструкция компонента	Расчетные формулы
4	Плоская КИ с круглыми витками	(8)
5	Плоская КИ с квадратными витками	(9)
6	Тороидальная КИ на каркасе прямоугольного сечения	(10)
7	Тороидальная КИ на каркасе круглого сечения	(11), где Dср - средний диаметр каркаса; dв - средний диаметр витка намотки
8	Прямой проводник круглого сечения	(12)

Окончание таблицы 1

№ п/п	Конструкция элемента		Расчетные формулы
9	Прямой проводник печатной платы		(13)
10	Кольцо из провода круглого сечения		(14)
11	Кольцо из проводника печатной платы	(15)

 

Ниже приведены пояснения, характеризующие каждый из элементов табл. 1 и соответствующие расчетные формулы.

Формула (1) пригодна для всех типов однослойных цилиндрических КИ: с шагом и без шага (сплошных), с каркасом и без него, а также катушек с вожженой намоткой. Значения l _ш и D_ср выбираются между центрами проводников намотки. Коэффициентом неплотности α учитывается толщина изоляционной пленки на проводе, его величина определяется из табл. 2. Для промежуточных значений d _пр величину α можно получить линейной интерполяцией.

Таблица 2

Значения коэффициента неплотности для различных

толщин изоляционного слоя

d пр, мм	0,08 - 0,11	0,15 - 0,25	0,35 - 0,41	0,51 - 0,93	Свыше 1,0
α	1,3	1,25	1,2	1,1	1,05

 

Типичные значения параметров однослойных КИ: L = 0,1 – 100 мкГн, ω = 2 – 200 витков, d _пр =0,1-2 мм, D _ср = 3-12 мм, l/D _ср = 0,5 – 3. Такие катушки применяются в качестве контурных на частотах 1 – 100 МГц, часто снабжаются подстроечными сердечниками.

Диаметр провода рекомендуется выбирать из ряда стандартных значений: 0,03; 0,08; 0,10; 0,12; 0,15; 0,23; 0,25; 0,29; 0,33; 0,35; 0,41; 0,51; 0,55; 0,64; 0,72; 0,80; 0,90; 1,00; 1,20; 1,50 мм.

 

Формулы (2) и (3) справедливы для всех типов многослойных намоток: рядовой, пирамидальной, "внавал", "универсаль". Типичные значения параметров: L =100 – 3000 мкГн; ω = 50 - 1000 витков; d_np = 0,06 - 0,3 мм; D _ср = 5 - 10 мм; п = 2 - 10. Для секционированных КИ т = 2 - 5. Такие КИ применяются в качестве контурных на частотах 10 - 1000 кГц, и они могут иметь ферритовые сердечники.

Формулы (4) и (5). Конструкция плоских КИ с квадратными витками проще в изготовлении и при равной занимаемой площади дает большую индуктивность, чем плоская КИ с круглыми витками, однако характеризуется меньшей добротностью. Если витки КИ прямоугольные, то нужно пересчитать их, заменив квадратными равной площади. Типичные параметры: L = 0,01 – 10 мкГн; ω = 2 – 1 витков; D_м ( A _м ) = 3 – 15 мм; D_вм ( A _вн ) = 1 – 3 мм. Применяются ограниченно на частотах от 1 до 100 мГц. Более точная графо-аналитическая методика расчета плоских КИ приведена в литературе [4].

Формулы (6) и (7) применимы как для однослойных, так и для многослойных тороидальных КИ. Такие КИ используют преимущественно с магнитными сердечниками в качестве дросселей высокой частоты. Обычно D_м ( D _вм ) = 3 – 20 мм; h ( d _в ) = 1 – 10 мм; ω = 10 – 250 витков; L = 0,1 – 50 мкГн (без сердечников).

Формулы (8) и (9) используют для расчета индуктивности выводов КИ, которую следует учитывать при малой индуктивности основных КИ. Ориентировочно можно полагать, что 10 мм проводника имеет индуктивность 0,01 мкГн.

Формулы (10) и (11). Чаще всего такие петли появляются в результате недостаточно продуманного конструктивного решения. Если форма петли – неправильная кривая, то для расчета индуктивности ее следует заменить окружностью, охватывающей такую же площадь.

Порядок расчета

Если заданы конструктивные параметры и требуется определить индуктивность, то задача имеет единственное решение. Последовательность решения следующая:

- рассчитать вспомогательные конструктивные параметры, например, длину намотки при заданном числе витков и диаметре провода;

- определить собственно индуктивность по одной из формул (см. табл.1).

Примечание: когда КИ имеет длинные выводы, например, вывод из центра плоской КИ, то индуктивность выводов рассчитывается по формулам (8) и (9) табл.1 и суммируется с основной индуктивностью.

Если требуется решить обратную задачу, т.е. найти конструктивные параметры (число витков, толщину и длину намотки и т.д.) по заданной индуктивности, то задача не имеет однозначного решения. В таком случае можно рекомендовать такую последовательность действий:

- задаемся диаметром каркаса объемной КИ, например, из ряда целочисленных значений: 5,6,7,8,9,10,11,12 (мм). Для плоских КИ задаемся максимальным внешним размером из того же ряда;

- задаемся диаметром провода для объемных КИ или шириной проводника плоской КИ. Для более добротных (контурных КИ) нужно выбирать больший диаметр провода;

- рассчитываем число витков по одной из формул (см. табл.1);

- рассчитываем прочие конструктивные параметры, например, длину намотки и внешний диаметр объемной КИ или внутренний диаметр плоской КИ. Если она не удовлетворяют условиям задачи, то расчет следует повторить, задавшись другими размерами КИ.

Пример расчета

Задача 1. Рассчитать индуктивность однослойной КИ в двух вариантах: со сплошной намоткой и при намотке с шагом, причем l_ш = 2d_пр. В обоих случаях ω = 15 витков, D_к = 6 мм, d_пр = 0,25 мм.

Первый вариант – намотка сплошная.

Решение. Определяем вспомогательные параметры по формуле

D_ср = D_k + d_пр = 6,25 мм; l= (ω-1)d_пр α = 14∙0,25∙1,25=4,375 мм. Вычисляем индуктивность по формуле (I) из табл.1.

Задача 2. Рассчитать конструктивные параметры высокочастотной КИ с индуктивностью 1,5 мкГ. Намотку производить с шагом, равным удвоенному диаметру провода, т.е.

Решение. Зададимся некоторыми конструктивными параметрами =0,3 мм, D _к=6 мм. Определим D _ср=D _к+ =6,3 мм. Рассмотрим формулу (1) для индуктивности однослойной КИ                                                       

.

Выразим l через число витков: мм и подставим численные значения параметров в формулу для L

.                                                                                                        

 

Решаем это квадратное уравнение относительно

Определяем другие конструктивные параметры

 

Домашнее задание

1. Ознакомиться с описанием лабораторной работы.

2. Подготовить начальную часть отчета, содержащую титульный лист, цель работы и краткие теоретические сведения.

3. Подготовить формы табл. 3 и 4.

4. Иметь калькулятор.

Лабораторное задание

1. Ознакомиться с документацией на измерительные приборы.

2. Получить образцы у лаборанта.

3. Провести необходимые измерения.

4. Определить тип индуктивности.

5. Изобразить один из образцов в сечении, с указанием материалов.

4. Произвести необходимые расчеты и заполнить форму табл. 4.

5. Сформулировать выводы.

 

Форма табл. 3

 

 

Основные сведения о дискретных индуктивностях

 

 

Образец №	Номинальная индуктивность (измеренное значение)	Рабочий диапазон (ДВ, СВ, КВ, УКВ)	Тип индукти-вности	Технологи-ческие особенности	Конструк-ционные материалы

Форма табл. 4

Результаты измерений и расчетов

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: