U.T. Gh. Asachi Iaşi Facultatea de Electronică şi Telecomunicaţii Componente şi Circuite Pasive Materiale Ferimagnetice (ferite) Scopul lucrării : Introducere în utilizarea materialelor magnetice de tip ferită Feritele sunt compuşi de forma, (MeO)(Fe 2 O 3 ) în care Me este un metal bivalent (mangan, zinc nichel, magneziu) sau o grupare de elemente cu valenţa totală 2. Proprietăţile magnetice ale feritelor au la bază structura internă a acestora formată din subreţele magnetice atomice care apar spontan în volume finite (domenii Weiss), fiecare reţea având momentele magnetice elementare orientate în acelaşi sens pe un grup de linii reticulare paralele, iar pe un alt grup de linii reticulare paralel cu primul orientarea a momentelor magnetice elementare este inversată. Faţă de materialele feromagnetice, feritele au următoarele avantaje principale: -rezistivitatea electrică este mult mai mare. Acest fapt determină pierderi prin curenţi turbionari mult mai mici şi deci posibilitatea folosirii la frecvenţe mult mai mari; -caracteristicile magnetice sunt mai stabile la solicitări mecanice (şocuri, vibraţii, etc.); Ca dezavantaje, comparativ cu materialele feromagnetice amintim: -permeabilitate magnetică relativă mai mică; la ferite cel mult 4000 iar la feromagnetici speciali (permalloy, mumetal, dinamax) se poate depăşi 1.000.000; -inducţia magnetică de saturaţie mai mică; 0.3T la 0.4T faţă de 1.2T până la 2.2T; -temperatură Curie mai scăzută şi dependenţă mai pronunţată a caracteristicilor magnetice de temperatură; -sunt dure, casante şi deci greu de prelucrat mecanic (se pot prelucra doar prin rectificare abrazivă). Feritele se împart în două mari tipuri în funcţie de de valoarea intensităţii câmpului magnetic coercitiv, Hc, figura 1: -ferite moi, Hc<0.8A/cm, -ferite dure, Hc>10A/cm. Feritele moi, au pierderi prin histerezis mai mici (ciclul de histerezis mai îngust) şi sunt utilizate pentru fabricarea miezurilor magnetice destinate să lucreze la frecvenţe ridicate sau în regim de comutaţie.
Feritele dure se folosesc pentru obţinerea magneţilor performanţi (ferite cu bariu) şi a benzilor magnetice înregistratoare de informaţii (ferite de cobalt). Figura 1 După forma caracteristicii B(H)- ciclul limită, feritele se împart în (figura 2): - ferite cu (Br/Bm)<0.5; - ferite cu 0.5<(Br/Bm)<0.8; - ferite cu (Br/Bm)>0.8 (se mai numesc cu ciclul de histerezis dreptunghiular, CHD). În laborator se vor studia unele proprietăţi magnetice ale unui miez din ferită moale, de joasă frecvenţă ( 200kHz). Acest tip de ferită este recomandat pentru circuite de conversie a puterii. Din această ferită se fabrică în mod obişnuit circuite magnetice pentru puteri până la 1kW, sub diverse forme: oală, U, E sau tor. Materialul acestora este, (Me x O)(Mn 1-x O)(Fe 2 O 3 ) în care x este procentul de înlocuire a metalului caracteristic cu un element metalic (Me = zinc). Dacă procentul de înlocuire este riguros respectat şi de asemenea tratamentele termice din timpul (şi după) sinterizare sunt precis controlate se pot atinge valori ale permeabilităţii relative statice de până la 40.000 (s-au obţinut astfel de materiale în condiţii de laborator). La fabricaţia de serie se obţin valori ale permeabilităţii de până la 4.000. Materialul magnetic folosit în laborator se numeşte ELFERIT -A3, este autohton, şi are următoarele caracteristici principale: -permeabilitate relativă iniţială, µ ri =1300-tipic, -plaja de frecvenţă, 1kHz la 200kHz, -inducţia maximă (saturaţie tehnică) Bm=0.34T, la Hm=2A/cm şi 20 0 C,
-inducţie remanentă Br=0.13T, la 20 0 C, -câmpul coercitiv Hc=0.2A/cm, la 20 0 C, -temperatura Curie Tc>145 0 C, -coeficientul de temperatură al permeabilităţii iniţiale, de la 20 0 C la -55 0 C α µ =(0.6..1.6)*10-6 (1/ 0 K), de la 20 0 C la 80 0 C α µ =(0.7..2.3)*10-6 (1/ 0 K). Figura 1 MODUL DE LUCRU În laborator se utilizează montajul din figura 3. Circuitul magnetic (oală, din ELFERIT-A3, Φ36X22) are l e =5.2cm şi A e =2.02cm 2 (lungimea medie efectivă a liniilor de câmp respectiv aria transversală efectivă de închidere a fluxului magnetic). Cu valorile parametrilor componentelor din figura 3, se poate regla câmpul magnetic de polarizare a circuitului magnetic (din sursa de curent constant reglabilă între 1.5mA şi 80mA) între 0.09A/cm şi 4.6A/cm, deci se poate atinge saturaţia magnetică. În figura 4, folosind bornele notate cu 1, 2, 3, 4, se pot realiza polarizări ale circuitului magnetic în ambele sensuri (curbe µ ri (H)) atât în cadranul I cât şi în cadranul III). Lucrarea practică se desfăşoară în următoarele etape:
Figura 2 1. Demagnetizarea circuitului magnetic. Înfăşurarea N s se lasă în gol (se deconectează condensatorul conectat între 5 şi 6) şi se conectează la bornele notate 3,4 numai un generator de semnal sinusoidal de joasă frecvenţă (VERSATESTER de exemplu). Se reglează frecvenţa generatorului la o valoare între 10Hz şi 20Hz iar tensiunea de ieşire la 3V ef. La bornele notate 5, 6 se conectează un osciloscop pe care se va vizualiza tensiunea electromotoare indusă în bobina secundară de către fluxul variabil creat de bobina primară, alimentată de la generator. În regim de lucru al materialului magnetic pe ciclul limită, inducţia magnetică (şi fluxul) trebuie să atingă nivele mai mari decât saturaţia tehnică. Se va verifica, cu ajutorul osciloscopului, atingerea saturaţiei prin observarea de zone de timp (pe osciloscop) în care tensiunea indusă în N s este practic nulă (se observă că sinusoida este deformată). Se va diminua apoi (lent) nivelul tensiunii de ieşire al generatorului spre zero. 2. Determinarea permeabilităţii relative iniţiale. Se conectează generatorul de semnal sinusoidal la bornele 7 şi 8 (rezistorul de 20KΩ transformă generatorul de semnal de tensiune în generator de semnal de curent) şi se reglează tensiunea generatorului la aproximativ 1V ef. Se verifică, prin calcul, că la acest nivel al generatorului amplitudinea câmpului magnetizant este cu cel puţin un ordin de mărime mai mic decât câmpul coercitiv, Hc, dat în catalog.
r r Hdl = NI, H const. pentru miez magnetic fără întrefier, deci este necesar ca, H max ( gef) NS 2U / 20K = << HC = 02.( A/ cm). le Între bornele 5 şi 6 se conectează succesiv câte un condensator (cu factor de calitate ridicat) având C=470nF, C=47nF, C=25nF şi C=10nF (sau valorile disponibile, caz în care se modifică valorile din tabel). Pentru fiecare valoare a capacităţii se caută rezonanţa în circuitul LC paralel (format din înfăşurarea secundară şi C). Pentru aceasta se va conecta un osciloscop la bornele condensatorului, bornele 5 şi 6, şi se modifică frecvenţa generatorului până se obţine tensiune maximă de semnal la bonele condensatorului. La rezonanţă se măsoară frecvenţa generatorului şi se trece într-un tabel (T1). Din relaţia Thomson şi formula de calcul a inductivităţii rezultă valoarea permeabilităţii magnetice relative. Tabelul T1 C 470nF 47nF 25nF 10nF f 0 µ r L 2 A L =L/N s 2 NAe 3 2 0 r r 2 le 0 1 1 L= =µ µ µ 2 10 ( 2πf0 ) f C pentru miezul magnetic cu geometria specificată mai sus şi N=N S =50 spire. Se vor trasa grafice pentru µ ri (f 0 ), L(f 0 ) şi A L (f 0 ), (A L este inductanţa specifică sau permeanţă specifică a circuitului magnetic şi se precizează în catalog). 3. Caracteristica µ r (H) pe curba de primă magnetizare. Se roteşte cursorul potenţiometrului P spre stânga, se conectează 1 cu 3, 2 cu 4 după care se conectează montajul la sursa de alimentare de curent continuu. Între bornele 5 şi 6 rămâne un condensator C şi osciloscopul iar între 7 şi 8 generatorul de semnal. Se caută frecvenţele de rezonanţă pentru valorile curentului din bobina primară specificate în tabelul T2, aceste valori
fiind parcurse în sens crescător. Valorile lui H din T2 se calculează pentru curenţii de magnetizare din tabel, Tabelul T2 I(mA) 3.5 5.2 7 8.9 10 12 13.9 17.3 26 34.5 43.3 52 80 H(A/cm) f 0 (Hz) µ r NI 300I l 5.2 P H= = (A/cm), e iar permeabilitatea se calculează cu aceeaşi relaţie de la punctul 2. Cu valorile completate din tabelul T 2 se trasează grafic permeabilitatea magnetică relativă în funcţie de intensitatea câmpului magnetizant H. 4. Caracteristica µ r (H) pe ciclul limită. Se culeg date, ca la punctul precedent, la scăderea curentului prin bobina primară de la 80mA spre zero şi se completează un nou tabel T 2. Când s-a ajuns la valoarea minimă se inversează curentul continuu prin primar prin conectarea bornei 1 la 4 iar 2 la 3 şi se completează un nou tabel T2 pentru porţiunea descrescătoare a ciclului de histerezis din cadranul III. Pentru porţiunea crescătoare, de la -H m la +H m avem simetrie faţă de origine. Se trasează grafic rezultatele din ultimele două tabele T 2 (permeabilitatea ca funcţie de H pe acelaşi grafic).