eng
Выпуск #4/2014
И.Романова
Индуктивные компоненты компании Murata для силовых и высокочастотных применений
Индуктивные компоненты компании Murata для силовых и высокочастотных применений
Просмотры: 4662
Статья рассматривает занимающие особое место в широком ассортименте продукции компании Murata индуктивные компоненты, включая дроссели с малым сопротивлением по постоянному току, чип-индуктивности повышенного напряжения и высокочастотные чип-индуктивности.
Сегодня фирма Murata имеет 50 представительств по всему миру. Из них 23 находится в Японии, 9 – в Европе. Полностью замкнутый цикл производства, включающий в себя все этапы от заготовки и отчистки исходных материалов до упаковки готовой продукции, позволяет производить тщательный контроль качества продукции на каждом этапе производства. Кроме того, большое внимание уделяется развитию производства, поиску новых материалов, разработке новых элементов, повышению качества производимой продукции.
Компания Murata Manufacturing производит керамические резонаторы, подстроечные резисторы выводные и для поверхностного монтажа, индуктивности и линии задержки для поверхностного монтажа, керамические конденсаторы различных типов выводные и для поверхностного монтажа, фильтры для аудио- и видеоаппаратуры, фильтры на поверхностных акустических волнах, многослойные LC-фильтры, пьезоэлектрические звуковые излучатели, датчики (пьезокерамические гироскопы Murata – компактные, сверхлегкие, имеют высокую скорость отклика, низкое напряжение питания и малые токи потребления).
Особое место в широком ассортименте продукции компании Murata занимают индуктивные компоненты, включая дроссели с малым сопротивлением по постоянному току, предназначенные для источников питания, чип-индуктивности общего применения для повышенного напряжения и высокочастотные чип-индуктивности, которые обеспечивают малые потери и высокую добротность в широком диапазоне частот.
Напомним некоторые общие сведения об индуктивных элементах.
Индуктивные элементы
электронной техники
Катушка индуктивности (КИ) – это пассивный элемент, обладающий свойством концентрировать и запасать электромагнитную энергию, сопротивление КИ переменному току увеличивается пропорционально его частоте. Таким свойством обладает проводник в форме спирали. Проводник в катушке индуктивности называется обмоткой, которая наматывается на основание (каркас катушки), выполняемое из диэлектрического материала. Если использовать провод с изоляцией, то витки обмотки можно располагать рядом или в несколько слоев. Для концентрации магнитного потока и уменьшения габаритных размеров в состав катушки индуктивности вводят магнитный сердечник, изготовленный из металлического ферромагнетика, феррита или магнитодиэлектрика.
Дроссель – это та же катушка индуктивности, которая обладает большим сопротивлением переменному и малым сопротивлением постоянному току. Дроссель включают в электрическую цепь для подавления переменной составляющей тока в цепи либо для разделения или ограничения сигналов различных частот. В зависимости от назначения дроссели делятся на высокочастотные и низкочастотные. Это различие относится и к конструктивному их исполнению. Дроссели высокой частоты изготовляют в виде однослойных или многослойных катушек без сердечников или с сердечниками. Для дросселей длинных и средних волн применяют секционную намотку. Дроссели на коротких и метровых волнах имеют однослойную намотку, сплошную или с принудительным шагом.
Для уменьшения габаритов дросселей применяют магнитные сердечники. Дроссели высокой частоты с сердечниками из магнитодиэлектриков и ферритов имеют меньшую собственную емкость и могут работать в более широком диапазоне частот.
Индуктивные компоненты применяются в электротехнических устройствах для различных целей:
подавления помех в электрической цепи;
сглаживания уровня пульсаций;
накопления энергетического потенциала;
ограничения токов переменной частоты;
построения резонансных колебательных контуров;
фильтрации частот в цепях прохождения электрического сигнала;
формирования области магнитного поля;
построения линий задержек, датчиков и т.д.
Катушки индуктивности подразделяются на несколько видов:
контурные катушки (образующие совместно с конденсаторами колебательный контур);
катушки связи (передающие высокочастотные колебания из одной цепи в другую);
фильтровые КИ или дроссели, имеющие на высоких частотах большое сопротивление и пропускающие постоянный или низкочастотный ток, используются в электрических фильтрах;
импульсные КИ применяют в цепях формирования или задержки импульсов тока;
регулируемые КИ выполняют функцию переменной индуктивности.
Основные характеристики индуктивных компонентов
Характеристики катушек индуктивности определяются их конструкцией, свойствами материала магнитопровода и его конфигурацией, числом витков обмотки.
Индуктивность. Это основной параметр КИ – отношение полного магнитного потока Ф к протекающему по ней току I:
L = Фw / I = BSw / I ,
где w – число витков; В – магнитная индукция среды, в которой распространяется магнитный поток; S – площадь витка.
Величина индуктивности катушки прямо пропорциональна габаритным размерам и числу ее витков. Индуктивность также зависит от материала сердечника, устанавливаемого в катушку, и применяемого экрана.
Активное сопротивление. При постоянном токе активное сопротивление КИ определяется сопротивлением проволоки намотки. При переменном токе появляются потери энергии в изоляционных материалах и в магнитном сердечнике (если он имеется в катушке), которые ведут к увеличению активного сопротивления. На высоких частотах, когда начинает проявляться поверхностный эффект, увеличивается сопротивление самого провода катушки. В результате общее активное сопротивление катушки возрастает, и тем больше, чем выше частота тока.
Реактивное сопротивление. При протекании переменного тока катушка обладает кроме активного еще и реактивным сопротивлением, которое увеличивается с повышением частоты. Это свойство применяется в фильтрах частот.
Добротность. Это отношение индуктивного сопротивления к активному, т.е. мера качества КИ. Добротность катушки изменяется с частотой. В небольшом диапазоне частот, на который рассчитывается катушка индуктивности, активное и индуктивное сопротивление изменяются примерно одинаково, так что отношение их оказывается постоянной величиной. Поэтому добротность достаточно точно характеризует свойства катушки во всем рабочем диапазоне частот. Чем выше добротность катушки, тем она ближе к идеальной, т.е. она обладает только главным своим свойством – индуктивностью.
Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ). Параметр характеризует относительное изменение индуктивности катушки при изменении температуры окружающей среды на 1°С. ТКИ имеет положительное значение, и для его компенсации в контурах применяют конденсаторы с отрицательным ТКЕ.
Точность изготовления катушки индуктивности. Она характеризуется допуском и показывает отклонение фактической индуктивности от номинального в процентах.
Собственная емкость катушки индуктивности. Этот параметр связан с расположением витков обмотки. Наличие собственной емкости ведет к увеличению потерь энергии, поэтому ее называют паразитной емкостью.
При выборе катушки индуктивности следует учитывать следующие факторы:
требуемая величина индуктивности (генри, миллигенри, микрогенри или наногенри);
максимальный ток катушки. Большой ток очень опасен из-за слишком сильного нагрева, при котором повреждается изоляция обмоток. Кроме того, при слишком большом токе может произойти насыщение магнитопровода магнитным потоком, что приведет к значительному уменьшению индуктивности;
точность выполнения индуктивности;
температурный коэффициент индуктивности;
стабильность параметров, определяемая влиянием внешних факторов;
активное сопротивление провода обмотки;
добротность катушки. Она обычно определяется на рабочей частоте как отношение индуктивного и активного сопротивлений;
частотный диапазон катушки.
По своей форме катушки индуктивности подразделяются на три типа.
Тороидальная катушка. В этой катушке обмотка наносится на тороид. Как правило, такие катушки имеют магнитный сердечник тороидальной формы с прямоугольным сечением. В этом случае магнитный поток концентрируется внутри сердечника, рассеяние в окружающую среду минимально.
Цилиндрическая катушка (соленоид). В этом случае обмотка наносится на цилиндрический каркас из диэлектрического материала или на магнитный сердечник с круглым или прямоугольным сечением.
Плоская катушка представляет собой спираль, в которой витки расположены в одной плоскости.
Виды намоток катушек индуктивности: спиральная, однослойная сплошная, однослойная с шагом, многослойная рядовая, универсальная, секционированная.
Катушки индуктивности для поверхностного монтажа
Основные требования, предъявляемые к катушкам индуктивности для поверхностного монтажа, – это планарность их конструкции и миниатюрные размеры. Индуктивности для поверхностного монтажа изготавливаются двух типов: многослойные и с проволочной обмоткой. Индуктивности многослойного типа благодаря уникальной технологии обработки имеют высокую номинальную индуктивность и добротность (Q) при небольших геометрических размерах. Для индуктивности проволочного типа характерно низкое сопротивление постоянному току, что достигается применением высокоэффективного замкнутого магнитопровода на основе ферритовых материалов с высокой магнитной проницаемостью, при этом индуктивности обладают низким энергопотреблением. Благодаря разнообразию типов и номиналов можно оптимально подобрать индуктивность по требуемым параметрам: частоте, виду сигнала, типу питания, а также иным характеристикам.
По конструктивным признакам катушки для поверхностного монтажа могут быть разделены на цилиндрические, спиральные, тороидальные, однослойные, многослойные, с сердечником или без сердечника, экранированные, с постоянной или переменной индуктивностью.
Конструкции катушек индуктивности очень разнообразны. Основными конструктивными элементами катушек являются каркас, обмотка, а вспомогательными — сердечник, экран. Выбор материала для каркаса зависит от предъявляемых к нему требований по электрической прочности, допустимой величине диэлектрических потерь, термостойкости, влагостойкости и т.д. Наибольшую стабильность имеют катушки на керамических каркасах, а наименьшую — многослойные катушки, намотанные на каркасах из гетинакса и пресспорошка. Иногда катушки УКВ- и КВ-диапазонов делают бескаркасными.
Сердечники катушек индуктивности
Индуктивность катушки можно изменять, добавляя в конструкцию катушки ферромагнитный сердечник. Основная характеристика магнитного материала сердечника – магнитная проницаемость. На практике она оценивается относительной величиной (по отношению к магнитной проницаемости вакуума) и является безразмерной.
Низкочастотные помехи хорошо сглаживаются катушками с пермалоевыми сердечниками или с сердечниками из электротехнической стали. При повышении частоты перемагничивания до десятков мегагерц (диапазон радиочастот) потери на вихревые токи в сердечниках значительно возрастают, и использование таких сердечников становится неэффективным. Потери снижаются при увеличении электрического сопротивления материала сердечника и уменьшении его индукции. Такими свойствами – малой величиной индукции (В) и высоким значением объемного сопротивления (ρ) – обладают неметаллические магнитные материалы: ферриты и магнитодиэлектрики.
Ферриты представляют собой магнитную керамику, получаемую спеканием смеси оксида железа Fe2O3 с оксидами металлов. По электропроводности они относятся к оксидным полупроводникам и имеют удельное сопротивление до 1016 Ом·м. В качестве материала для сердечников широко применяют ферриты: никель-цинковые, марганец-никелевые, литий-цинковые. Достоинства ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей. Благодаря высокому удельному сопротивлению, катушки с сердечниками из ферритов могут иметь очень большую добротность – на низких частотах свыше 500, а на частотах 500–1000 кГц – 300.
Магнитодиэлектрики. Так называют конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого электрически изолированы друг от друга пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой. Магнитодиэлектрики, так же как и ферриты, обладают большим удельным электрическим сопротивлением. Их преимущества по сравнению с ферритами заключаются в более высокой стабильности свойств и в хорошей воспроизводимости характеристик, а недостатком является более низкая магнитная проницаемость.
СВЧ-ферриты (ферриты для сверхвысоких частот). Ферриты, применяемые в диапазоне СВЧ, представляют собой среду, прозрачную для электромагнитных волн. Они характеризуются низким значением тангенса угла диэлектрических потерь tg δ, высокой температурной стабильностью в рабочем интервале температур, высоким удельным электрическим сопротивлением ρ (106–109 Ом·м), высокой плотностью и однородностью структуры за счет применения монокристаллического материала; высоким значением намагниченности насыщения (при спонтанной намагниченности).
Компания Murata разработала свою собственную технологию изготовления индуктивных элементов, которая позволяет повысить энергетический КПД (т.е. снизить сопротивление постоянному току) и изготавливать сверхминиатюрные компоненты.
Обычные ферритовые сердечники для силовых катушек индуктивности изготавливаются из ферритового порошка методом формования с последующим обжигом. Однако данному способу свойственно множество ограничений, существенно уменьшающих гибкость конструирования.
Компания Murata запатентовала технологию фрезерования сердечников, ускоряющую изготовление, повышающую гибкость этого процесса и улучшающую характеристики готового изделия. Новый метод дает возможность делать сердечники полностью круглыми: ранее форма сердечников была ближе к прямоугольной, а сопротивление постоянному току получалось выше. Новым процессом является также и экранирование изделия синтетической смолой с магнитным порошковым наполнителем.
Недавно компания Murata выпустила два новых изделия, изготовленных по усовершенствованной технологии, – проволочные силовые катушки индуктивности LQH6PP и LQH88P с размерами посадочного места 6×6 мм и 8×8 мм соответственно. Несмотря на компактные размеры, новые типы дросселей рассчитаны на большие номинальные токи и имеют пониженное сопротивление постоянному току, что способствует повышению КПД всей конструкции. Низкопрофильная катушка LQH6PP имеет высоту 4,5 мм, а катушка LQH88P еще тоньше – всего 4,0 мм. Эти изделия особенно хорошо подходят для применения в DC/DC-конверторах телевизоров с плоским экраном, в которых низкий профиль компонентов является одним из основных требований. Новые методы конструирования позволили выпустить КИ в широком диапазоне номиналов индуктивности – от 1,0 до 100 мкГн. Дроссели серии LQH6PP имеют номинальный ток до 7,2 А, а серия LQH88P характеризуется еще большим номинальным током – до 11,2 А.
Индуктивные компоненты компании Murata выпускаются только в корпусах для поверхностного монтажа (табл.1), имеют разную конструкцию (рис.1–3). Расшифровка системы обозначений индуктивных компонентов приведена на врезке.
Особенности конструкции. Индуктивности проволочной конструкции имеют низкое сопротивление постоянному току, большую величину добротности, большой ток. Индуктивности многослойной конструкции отличаются низкой добротностью (по сравнению с проволочными), миниатюрными размерами и приемлемым балансом между ценой и стабильностью. Пленочные индуктивности демонстрируют отличные электрические характеристики даже в миниатюрных корпусах (типа 0603), стабильные индуктивные свойства, высокую добротность.
Индуктивности компании Murata делятся и по назначению:
для силовых цепей и низкочастотных применений – серии LQH, LQM (табл.2 и рис.1, 2);
для высокочастотных применений – серии LQW_H, LQH_H, LQW_A, LQG, LQP (см. табл.2 и рис.3).
Индуктивности для высокочастотных линий должны иметь высокое значение добротности. При выборе силовых индуктивностей необходимо учитывать два фактора: магнитные потери при малой выходной нагрузке и сопротивление постоянному току при высокой выходной нагрузке.
Диапазон рабочих температур индуктивных компонентов меняется в зависимости от серии:
серия LQW15A – от -50 до 125°С;
серии LQG15H, LQG18H, LQP03T, LQP15M, LQM18N, LQM21N, LQM21D, LQM21F, LQM31F – от -40 до 85°С;
серии LQW18A, LQW2BH, LQW31H, LQH31H, LQH31M, LQH32M, LQH43M/N, LQH31C, LQH32C, LQH43C – от -25 до 85°С.
Новая продукция компании – миниатюризации нет пределов
Компания Murata в 2013 году расширила традиционную серию индуктивных компонентов для высокочастотных цепей LQP02TN (LQP02TQ), имеющую высокую добротность и диапазон индуктивностей от 0,2 до 20 нГн, выпустив новую тонкопленочную индуктивность с диапазоном от 22 до 39 нГн. Поставляется она в тонком ультракомпактном корпусе 0402 (0,4×0,2×0,2 мм), спрос на которые постоянно повышается. Получить индуктивность 39 нГн при размерах корпуса (0402) – большое достижение, и это результат применения уникальной технологии формовки, разработанной и запатентованной компанией Murata.
Теперь в результате пополнения линейка серии LQP02TN охватывает диапазон индуктивности от 0,2 до 39 нГн и состоит из 59 компонентов. Отклонения индуктивности составляют ±0,1 нГн (диапазон 0,2–4,2 нГн) и ±3% (4,3–39 нГн). Новые технологические решения не содержат веществ, запрещенных нормами RoHS.
LQH66SN103M03L – силовой дроссель помещен в магнитный ферритовый экран. Изделие предназначено для фильтрации и ограничения переменного тока высокой частоты. Индуктивность – 10 мГн c допустимым отклонением ±20%, резонансная частота – 0,5 MГц. Деталь монтируется на печатную плату при помощи пайки. Элемент имеет высокое сопротивление переменному току и малое сопротивление 39,7 Oм постоянному току. Максимальный постоянный ток 50 мA. Размер 6,3×6,3×4,7 мм. LQH66SN103M03L применяется для фильтрации высокочастотных сигналов в блоках источников электропитания совместно с конденсаторами. Диапазон рабочих температур – от -40 до 85°C, тип корпуса – SMD 2525. Тип выводов – SMD/SMT. Технология соответствует нормам RoHS.
В конце 2012 года Murata представила самую миниатюрную индуктивность в мире. Ее типоразмер – 0201 (габариты 0,25×0,125 мм). Объем этой индуктивности составляет около 25% объема приборов типоразмера 0402 (0,4×0,2 мм), которые преобладают на рынке современных смартфонов. Компания Murata стала первой фирмой в мире, изготовившей прототипы индуктивностей с габаритами 0,25×0,125 мм, но это стало возможным только благодаря применению новейших технологий собственной разработки.
В октябре 2013 появилось сообщение, что компания Murata Manufacturing разработала и начала подготовку производства самых маленьких в мире чипов ферритовых фильтров, корпуса которых имеют типоразмер 0201 (0,25×0,125 мм). Ферритовые фильтры широко используются в смартфонах, планшетных компьютерах и другой портативной цифровой электронике.
Несмотря на столь крошечные размеры этих компонентов, в электронной промышленности уже имеется монтажное автоматическое оборудование, способное устанавливать и паять такие компоненты. Принимая это во внимание, компания Murata изготовила несколько опытных партий компонентов в типоразмере 0201 и отправила их в качестве образцов производителям электронной техники. Массовое производство таких компонентов запланировано на 2014 год. Первыми увидели "малютку" посетители павильона Murata на выставке CEATEC JAPAN 2013.
По материалам сайта www.murata.com.
Компания Murata Manufacturing производит керамические резонаторы, подстроечные резисторы выводные и для поверхностного монтажа, индуктивности и линии задержки для поверхностного монтажа, керамические конденсаторы различных типов выводные и для поверхностного монтажа, фильтры для аудио- и видеоаппаратуры, фильтры на поверхностных акустических волнах, многослойные LC-фильтры, пьезоэлектрические звуковые излучатели, датчики (пьезокерамические гироскопы Murata – компактные, сверхлегкие, имеют высокую скорость отклика, низкое напряжение питания и малые токи потребления).
Особое место в широком ассортименте продукции компании Murata занимают индуктивные компоненты, включая дроссели с малым сопротивлением по постоянному току, предназначенные для источников питания, чип-индуктивности общего применения для повышенного напряжения и высокочастотные чип-индуктивности, которые обеспечивают малые потери и высокую добротность в широком диапазоне частот.
Напомним некоторые общие сведения об индуктивных элементах.
Индуктивные элементы
электронной техники
Катушка индуктивности (КИ) – это пассивный элемент, обладающий свойством концентрировать и запасать электромагнитную энергию, сопротивление КИ переменному току увеличивается пропорционально его частоте. Таким свойством обладает проводник в форме спирали. Проводник в катушке индуктивности называется обмоткой, которая наматывается на основание (каркас катушки), выполняемое из диэлектрического материала. Если использовать провод с изоляцией, то витки обмотки можно располагать рядом или в несколько слоев. Для концентрации магнитного потока и уменьшения габаритных размеров в состав катушки индуктивности вводят магнитный сердечник, изготовленный из металлического ферромагнетика, феррита или магнитодиэлектрика.
Дроссель – это та же катушка индуктивности, которая обладает большим сопротивлением переменному и малым сопротивлением постоянному току. Дроссель включают в электрическую цепь для подавления переменной составляющей тока в цепи либо для разделения или ограничения сигналов различных частот. В зависимости от назначения дроссели делятся на высокочастотные и низкочастотные. Это различие относится и к конструктивному их исполнению. Дроссели высокой частоты изготовляют в виде однослойных или многослойных катушек без сердечников или с сердечниками. Для дросселей длинных и средних волн применяют секционную намотку. Дроссели на коротких и метровых волнах имеют однослойную намотку, сплошную или с принудительным шагом.
Для уменьшения габаритов дросселей применяют магнитные сердечники. Дроссели высокой частоты с сердечниками из магнитодиэлектриков и ферритов имеют меньшую собственную емкость и могут работать в более широком диапазоне частот.
Индуктивные компоненты применяются в электротехнических устройствах для различных целей:
подавления помех в электрической цепи;
сглаживания уровня пульсаций;
накопления энергетического потенциала;
ограничения токов переменной частоты;
построения резонансных колебательных контуров;
фильтрации частот в цепях прохождения электрического сигнала;
формирования области магнитного поля;
построения линий задержек, датчиков и т.д.
Катушки индуктивности подразделяются на несколько видов:
контурные катушки (образующие совместно с конденсаторами колебательный контур);
катушки связи (передающие высокочастотные колебания из одной цепи в другую);
фильтровые КИ или дроссели, имеющие на высоких частотах большое сопротивление и пропускающие постоянный или низкочастотный ток, используются в электрических фильтрах;
импульсные КИ применяют в цепях формирования или задержки импульсов тока;
регулируемые КИ выполняют функцию переменной индуктивности.
Основные характеристики индуктивных компонентов
Характеристики катушек индуктивности определяются их конструкцией, свойствами материала магнитопровода и его конфигурацией, числом витков обмотки.
Индуктивность. Это основной параметр КИ – отношение полного магнитного потока Ф к протекающему по ней току I:
L = Фw / I = BSw / I ,
где w – число витков; В – магнитная индукция среды, в которой распространяется магнитный поток; S – площадь витка.
Величина индуктивности катушки прямо пропорциональна габаритным размерам и числу ее витков. Индуктивность также зависит от материала сердечника, устанавливаемого в катушку, и применяемого экрана.
Активное сопротивление. При постоянном токе активное сопротивление КИ определяется сопротивлением проволоки намотки. При переменном токе появляются потери энергии в изоляционных материалах и в магнитном сердечнике (если он имеется в катушке), которые ведут к увеличению активного сопротивления. На высоких частотах, когда начинает проявляться поверхностный эффект, увеличивается сопротивление самого провода катушки. В результате общее активное сопротивление катушки возрастает, и тем больше, чем выше частота тока.
Реактивное сопротивление. При протекании переменного тока катушка обладает кроме активного еще и реактивным сопротивлением, которое увеличивается с повышением частоты. Это свойство применяется в фильтрах частот.
Добротность. Это отношение индуктивного сопротивления к активному, т.е. мера качества КИ. Добротность катушки изменяется с частотой. В небольшом диапазоне частот, на который рассчитывается катушка индуктивности, активное и индуктивное сопротивление изменяются примерно одинаково, так что отношение их оказывается постоянной величиной. Поэтому добротность достаточно точно характеризует свойства катушки во всем рабочем диапазоне частот. Чем выше добротность катушки, тем она ближе к идеальной, т.е. она обладает только главным своим свойством – индуктивностью.
Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ). Параметр характеризует относительное изменение индуктивности катушки при изменении температуры окружающей среды на 1°С. ТКИ имеет положительное значение, и для его компенсации в контурах применяют конденсаторы с отрицательным ТКЕ.
Точность изготовления катушки индуктивности. Она характеризуется допуском и показывает отклонение фактической индуктивности от номинального в процентах.
Собственная емкость катушки индуктивности. Этот параметр связан с расположением витков обмотки. Наличие собственной емкости ведет к увеличению потерь энергии, поэтому ее называют паразитной емкостью.
При выборе катушки индуктивности следует учитывать следующие факторы:
требуемая величина индуктивности (генри, миллигенри, микрогенри или наногенри);
максимальный ток катушки. Большой ток очень опасен из-за слишком сильного нагрева, при котором повреждается изоляция обмоток. Кроме того, при слишком большом токе может произойти насыщение магнитопровода магнитным потоком, что приведет к значительному уменьшению индуктивности;
точность выполнения индуктивности;
температурный коэффициент индуктивности;
стабильность параметров, определяемая влиянием внешних факторов;
активное сопротивление провода обмотки;
добротность катушки. Она обычно определяется на рабочей частоте как отношение индуктивного и активного сопротивлений;
частотный диапазон катушки.
По своей форме катушки индуктивности подразделяются на три типа.
Тороидальная катушка. В этой катушке обмотка наносится на тороид. Как правило, такие катушки имеют магнитный сердечник тороидальной формы с прямоугольным сечением. В этом случае магнитный поток концентрируется внутри сердечника, рассеяние в окружающую среду минимально.
Цилиндрическая катушка (соленоид). В этом случае обмотка наносится на цилиндрический каркас из диэлектрического материала или на магнитный сердечник с круглым или прямоугольным сечением.
Плоская катушка представляет собой спираль, в которой витки расположены в одной плоскости.
Виды намоток катушек индуктивности: спиральная, однослойная сплошная, однослойная с шагом, многослойная рядовая, универсальная, секционированная.
Катушки индуктивности для поверхностного монтажа
Основные требования, предъявляемые к катушкам индуктивности для поверхностного монтажа, – это планарность их конструкции и миниатюрные размеры. Индуктивности для поверхностного монтажа изготавливаются двух типов: многослойные и с проволочной обмоткой. Индуктивности многослойного типа благодаря уникальной технологии обработки имеют высокую номинальную индуктивность и добротность (Q) при небольших геометрических размерах. Для индуктивности проволочного типа характерно низкое сопротивление постоянному току, что достигается применением высокоэффективного замкнутого магнитопровода на основе ферритовых материалов с высокой магнитной проницаемостью, при этом индуктивности обладают низким энергопотреблением. Благодаря разнообразию типов и номиналов можно оптимально подобрать индуктивность по требуемым параметрам: частоте, виду сигнала, типу питания, а также иным характеристикам.
По конструктивным признакам катушки для поверхностного монтажа могут быть разделены на цилиндрические, спиральные, тороидальные, однослойные, многослойные, с сердечником или без сердечника, экранированные, с постоянной или переменной индуктивностью.
Конструкции катушек индуктивности очень разнообразны. Основными конструктивными элементами катушек являются каркас, обмотка, а вспомогательными — сердечник, экран. Выбор материала для каркаса зависит от предъявляемых к нему требований по электрической прочности, допустимой величине диэлектрических потерь, термостойкости, влагостойкости и т.д. Наибольшую стабильность имеют катушки на керамических каркасах, а наименьшую — многослойные катушки, намотанные на каркасах из гетинакса и пресспорошка. Иногда катушки УКВ- и КВ-диапазонов делают бескаркасными.
Сердечники катушек индуктивности
Индуктивность катушки можно изменять, добавляя в конструкцию катушки ферромагнитный сердечник. Основная характеристика магнитного материала сердечника – магнитная проницаемость. На практике она оценивается относительной величиной (по отношению к магнитной проницаемости вакуума) и является безразмерной.
Низкочастотные помехи хорошо сглаживаются катушками с пермалоевыми сердечниками или с сердечниками из электротехнической стали. При повышении частоты перемагничивания до десятков мегагерц (диапазон радиочастот) потери на вихревые токи в сердечниках значительно возрастают, и использование таких сердечников становится неэффективным. Потери снижаются при увеличении электрического сопротивления материала сердечника и уменьшении его индукции. Такими свойствами – малой величиной индукции (В) и высоким значением объемного сопротивления (ρ) – обладают неметаллические магнитные материалы: ферриты и магнитодиэлектрики.
Ферриты представляют собой магнитную керамику, получаемую спеканием смеси оксида железа Fe2O3 с оксидами металлов. По электропроводности они относятся к оксидным полупроводникам и имеют удельное сопротивление до 1016 Ом·м. В качестве материала для сердечников широко применяют ферриты: никель-цинковые, марганец-никелевые, литий-цинковые. Достоинства ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей. Благодаря высокому удельному сопротивлению, катушки с сердечниками из ферритов могут иметь очень большую добротность – на низких частотах свыше 500, а на частотах 500–1000 кГц – 300.
Магнитодиэлектрики. Так называют конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого электрически изолированы друг от друга пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой. Магнитодиэлектрики, так же как и ферриты, обладают большим удельным электрическим сопротивлением. Их преимущества по сравнению с ферритами заключаются в более высокой стабильности свойств и в хорошей воспроизводимости характеристик, а недостатком является более низкая магнитная проницаемость.
СВЧ-ферриты (ферриты для сверхвысоких частот). Ферриты, применяемые в диапазоне СВЧ, представляют собой среду, прозрачную для электромагнитных волн. Они характеризуются низким значением тангенса угла диэлектрических потерь tg δ, высокой температурной стабильностью в рабочем интервале температур, высоким удельным электрическим сопротивлением ρ (106–109 Ом·м), высокой плотностью и однородностью структуры за счет применения монокристаллического материала; высоким значением намагниченности насыщения (при спонтанной намагниченности).
Компания Murata разработала свою собственную технологию изготовления индуктивных элементов, которая позволяет повысить энергетический КПД (т.е. снизить сопротивление постоянному току) и изготавливать сверхминиатюрные компоненты.
Обычные ферритовые сердечники для силовых катушек индуктивности изготавливаются из ферритового порошка методом формования с последующим обжигом. Однако данному способу свойственно множество ограничений, существенно уменьшающих гибкость конструирования.
Компания Murata запатентовала технологию фрезерования сердечников, ускоряющую изготовление, повышающую гибкость этого процесса и улучшающую характеристики готового изделия. Новый метод дает возможность делать сердечники полностью круглыми: ранее форма сердечников была ближе к прямоугольной, а сопротивление постоянному току получалось выше. Новым процессом является также и экранирование изделия синтетической смолой с магнитным порошковым наполнителем.
Недавно компания Murata выпустила два новых изделия, изготовленных по усовершенствованной технологии, – проволочные силовые катушки индуктивности LQH6PP и LQH88P с размерами посадочного места 6×6 мм и 8×8 мм соответственно. Несмотря на компактные размеры, новые типы дросселей рассчитаны на большие номинальные токи и имеют пониженное сопротивление постоянному току, что способствует повышению КПД всей конструкции. Низкопрофильная катушка LQH6PP имеет высоту 4,5 мм, а катушка LQH88P еще тоньше – всего 4,0 мм. Эти изделия особенно хорошо подходят для применения в DC/DC-конверторах телевизоров с плоским экраном, в которых низкий профиль компонентов является одним из основных требований. Новые методы конструирования позволили выпустить КИ в широком диапазоне номиналов индуктивности – от 1,0 до 100 мкГн. Дроссели серии LQH6PP имеют номинальный ток до 7,2 А, а серия LQH88P характеризуется еще большим номинальным током – до 11,2 А.
Индуктивные компоненты компании Murata выпускаются только в корпусах для поверхностного монтажа (табл.1), имеют разную конструкцию (рис.1–3). Расшифровка системы обозначений индуктивных компонентов приведена на врезке.
Особенности конструкции. Индуктивности проволочной конструкции имеют низкое сопротивление постоянному току, большую величину добротности, большой ток. Индуктивности многослойной конструкции отличаются низкой добротностью (по сравнению с проволочными), миниатюрными размерами и приемлемым балансом между ценой и стабильностью. Пленочные индуктивности демонстрируют отличные электрические характеристики даже в миниатюрных корпусах (типа 0603), стабильные индуктивные свойства, высокую добротность.
Индуктивности компании Murata делятся и по назначению:
для силовых цепей и низкочастотных применений – серии LQH, LQM (табл.2 и рис.1, 2);
для высокочастотных применений – серии LQW_H, LQH_H, LQW_A, LQG, LQP (см. табл.2 и рис.3).
Индуктивности для высокочастотных линий должны иметь высокое значение добротности. При выборе силовых индуктивностей необходимо учитывать два фактора: магнитные потери при малой выходной нагрузке и сопротивление постоянному току при высокой выходной нагрузке.
Диапазон рабочих температур индуктивных компонентов меняется в зависимости от серии:
серия LQW15A – от -50 до 125°С;
серии LQG15H, LQG18H, LQP03T, LQP15M, LQM18N, LQM21N, LQM21D, LQM21F, LQM31F – от -40 до 85°С;
серии LQW18A, LQW2BH, LQW31H, LQH31H, LQH31M, LQH32M, LQH43M/N, LQH31C, LQH32C, LQH43C – от -25 до 85°С.
Новая продукция компании – миниатюризации нет пределов
Компания Murata в 2013 году расширила традиционную серию индуктивных компонентов для высокочастотных цепей LQP02TN (LQP02TQ), имеющую высокую добротность и диапазон индуктивностей от 0,2 до 20 нГн, выпустив новую тонкопленочную индуктивность с диапазоном от 22 до 39 нГн. Поставляется она в тонком ультракомпактном корпусе 0402 (0,4×0,2×0,2 мм), спрос на которые постоянно повышается. Получить индуктивность 39 нГн при размерах корпуса (0402) – большое достижение, и это результат применения уникальной технологии формовки, разработанной и запатентованной компанией Murata.
Теперь в результате пополнения линейка серии LQP02TN охватывает диапазон индуктивности от 0,2 до 39 нГн и состоит из 59 компонентов. Отклонения индуктивности составляют ±0,1 нГн (диапазон 0,2–4,2 нГн) и ±3% (4,3–39 нГн). Новые технологические решения не содержат веществ, запрещенных нормами RoHS.
LQH66SN103M03L – силовой дроссель помещен в магнитный ферритовый экран. Изделие предназначено для фильтрации и ограничения переменного тока высокой частоты. Индуктивность – 10 мГн c допустимым отклонением ±20%, резонансная частота – 0,5 MГц. Деталь монтируется на печатную плату при помощи пайки. Элемент имеет высокое сопротивление переменному току и малое сопротивление 39,7 Oм постоянному току. Максимальный постоянный ток 50 мA. Размер 6,3×6,3×4,7 мм. LQH66SN103M03L применяется для фильтрации высокочастотных сигналов в блоках источников электропитания совместно с конденсаторами. Диапазон рабочих температур – от -40 до 85°C, тип корпуса – SMD 2525. Тип выводов – SMD/SMT. Технология соответствует нормам RoHS.
В конце 2012 года Murata представила самую миниатюрную индуктивность в мире. Ее типоразмер – 0201 (габариты 0,25×0,125 мм). Объем этой индуктивности составляет около 25% объема приборов типоразмера 0402 (0,4×0,2 мм), которые преобладают на рынке современных смартфонов. Компания Murata стала первой фирмой в мире, изготовившей прототипы индуктивностей с габаритами 0,25×0,125 мм, но это стало возможным только благодаря применению новейших технологий собственной разработки.
В октябре 2013 появилось сообщение, что компания Murata Manufacturing разработала и начала подготовку производства самых маленьких в мире чипов ферритовых фильтров, корпуса которых имеют типоразмер 0201 (0,25×0,125 мм). Ферритовые фильтры широко используются в смартфонах, планшетных компьютерах и другой портативной цифровой электронике.
Несмотря на столь крошечные размеры этих компонентов, в электронной промышленности уже имеется монтажное автоматическое оборудование, способное устанавливать и паять такие компоненты. Принимая это во внимание, компания Murata изготовила несколько опытных партий компонентов в типоразмере 0201 и отправила их в качестве образцов производителям электронной техники. Массовое производство таких компонентов запланировано на 2014 год. Первыми увидели "малютку" посетители павильона Murata на выставке CEATEC JAPAN 2013.
По материалам сайта www.murata.com.
Отзывы читателей
