Cum alegeți inductorul potrivit pentru aplicația voastră? Acest articol compară diferențele dintre trei componente inductive SMT: inductoare ceramice, ferite SMT și inductoare bobinate pe miez de ferită. Proprietățile lor electrice le fac potrivite pentru diverse aplicații, iar parametrii paraziți determinați de construcția lor fizică pot fi utilizați în avantajul proiectării circuitelor.
Componentele inductive sunt disponibile în numeroase forme. Versiunile SMT sunt foarte populare, deoarece sunt ușor de montat pe plăcile cu circuite imprimate. Cu toate acestea, nu toate componentele inductive sunt identice, după cum demonstrează acest articol prin compararea a trei tipuri reprezentative de componente SMT: inductorul ceramic, ferita SMT și inductorul bobinat pe miez de ferită.
Figura 1 compară curbele de impedanță ale celor trei tipuri de componente:
- Ferită SMT: WE-CBF [1]
- Inductor SMT cu miez ceramic (“bobină cu miez de aer”): WE-KI [2]
- Inductor SMT bobinat pe miez de ferită: WE-RFI [3]
Componentele au fost selectate astfel încât curbele lor de impedanță să fie similare până în apropierea maximelor respective. Diferențele devin evidente în zona acestor maxime: ferita SMT atinge impedanța maximă la cea mai joasă frecvență, în timp ce inductorul bobinat pe miez de ferită o atinge la cea mai înaltă frecvență. Inductorul ceramic prezintă cea mai abruptă creștere și scădere în jurul maximului de impedanță și, prin urmare, cel mai ridicat factor de calitate Q.
Figura 1: Comparație între impedanțele feritei SMT, ale inductorului cu miez ceramic (“bobină cu miez de aer”) și ale inductorului bobinat pe miez de ferită. (Sursă imagine: Würth Elektronik)
Comparație între parametrii electrici
Figura 2 compară parametrii electrici ai celor trei componente inductive.
Pentru inductoarele fără miez de ferită (WE-KI), fișele tehnice specifică valoarea inductanței – în acest caz 560 nH. Deși această valoare este specificată la o anumită frecvență de măsurare, sub frecvența de rezonanță inductanța rămâne aproape constantă (a se vedea fișa tehnică).
La o analiză mai atentă, reactanța inductivă nu crește liniar odată cu frecvența. Două efecte contribuie la creșterea impedanței bobinei cu miez de aer: creșterea reactanței conform legii lui Lenz și creșterea rezistenței ca urmare a efectului pelicular (skin effect).
Într-un circuit pur inductiv, bobina este conectată direct la o sursă de tensiune alternativă. Forța electromotoare (FEM) autoindusă în bobină se opune variației curentului. Conform legii lui Lenz, această FEM autoindusă este direct proporțională cu viteza de variație a curentului prin bobină. Pe măsură ce frecvența crește, efectul inductiv devine mai pronunțat. În consecință, reactanța inductivă crește proporțional cu frecvența.
Figura 2: Comparație între parametrii feritei SMT, ai inductorului cu miez ceramic (“bobină cu miez de aer”) și ai inductorului bobinat pe miez de ferită. (Sursă imagine: Würth Elektronik)
O creștere suplimentară a impedanței este determinată de efectul pelicular. La frecvențe joase, curentul se distribuie aproape pe întreaga secțiune transversală a conductorului. Odată cu creșterea frecvenței, câmpul magnetic asociat curentului determină reducerea densității de curent în interiorul conductorului și concentrarea acesteia spre suprafață. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect pelicular. Intensitatea efectului crește odată cu frecvența; fenomenul apare și în cazul celorlalte inductoare, inclusiv al celor cu miez de ferită.
Frecvența de rezonanță și capacitățile parazite
Frecvența de rezonanță a inductorului fără miez de ferită este determinată în principal de capacitatea parazită dintre spire. Atunci când doi conductori aflați în imediata apropiere sunt separați de un dielectric și între ei există o diferență de potențial, se formează un condensator.
Ansamblul capacităților parazite dintre spire este conectat în paralel cu inductanța înfășurării și formează astfel un circuit rezonant paralel. În plus, există o capacitate parazită între terminale (padurile de lipire), conectată în paralel cu capacitatea înfășurării. Rezultă astfel o capacitate parazită totală conectată în paralel cu înfășurarea, conform circuitului echivalent prezentat în partea stângă a Figurii 3.
Impedanța și factorul de calitate
Figura 3: Circuitul echivalent al unui inductor fără miez magnetic (stânga) și al unui inductor cu miez magnetic (dreapta). (Sursă imagine: Würth Elektronik)
Pentru inductoarele cu miez de ferită (WE-RFI) și feritele SMT (WE-CBF), fișele tehnice nu specifică valoarea inductanței, ci impedanța la o anumită frecvență de măsurare. Se poate observa și că ferita SMT prezintă cea mai mare toleranță, în timp ce inductorul fără miez de ferită are cea mai mică toleranță.
Deoarece inductorul WE-KI nu are miez de ferită, acesta necesită mai multe spire pentru a obține aceeași impedanță ca în cazul componentelor cu ferită. Acest lucru explică și de ce WE-KI prezintă cea mai mare rezistență în curent continuu a înfășurării, RDC. Factorul Q, adică factorul de calitate, este specificat atât pentru WE-KI cât și pentru WE-RFI, dar nu și pentru WE-CBF. Factorul Q caracterizează pierderile disipative ale unui inductor. Inductoarele cu un factor Q ridicat au pierderi reduse și o curbă de impedanță mai îngustă. În schimb, inductoarele cu un factor Q scăzut prezintă pierderi mai mari și o curbă de impedanță mai largă.
Valoarea maximă a impedanței unui inductor este legată de factorul de calitate Q. Inductoarele cu pierderi reduse și un factor Q ridicat prezintă un maxim de impedanță foarte mare, în timp ce un inductor cu pierderi ridicate are un maxim mai redus. Prin modificarea modului de realizare a înfășurării sau prin alegerea materialului miezului pot fi ajustate atât valoarea maximă a impedanței cât și domeniul de frecvență în care apare aceasta. Dar ce reprezintă, de fapt, acest maxim de impedanță?
Materiale pentru miez magnetic
Figura 4: Curbe tipice de impedanță ale inductorului WE-RFI 744760256A (stânga) și ale feritei SMT WE-CBF 742792653 (dreapta). (Sursă imagine: Würth Elektronik)
Figura 4 prezintă curbele de impedanță în funcție de frecvență pentru inductorul WE-RFI și ferita SMT WE-CBF. Ambele componente utilizează miezuri din ferită. Fiecare diagramă prezintă trei curbe diferite: R – rezistența ohmică, XL – reactanța inductivă și Z – impedanța componentei. Înțelegerea acestor diagrame este importantă pentru utilizarea corectă în circuite a inductoarelor cu miez de ferită.
În multe aplicații de radiofrecvență în care sunt necesare valori mari ale inductanței într-un spațiu redus, inductoarele cu miez de aer nu pot fi utilizate din cauza dimensiunilor lor. Construcția inductorului poate deveni mai compactă dacă miezul de aer este înlocuit cu un material cu o permeabilitate magnetică mai mare (µr > 1).
Dacă dimensiunile componentei rămân aceleași, valoarea inductanței poate fi menținută chiar și cu un număr mai mic de spire.
Acest lucru oferă mai multe avantaje:
- Dimensiuni mai mici – datorită numărului redus de spire necesare pentru obținerea unei anumite inductanțe.
- Factor Q mai ridicat – un număr mai mic de spire înseamnă o rezistență mai redusă a înfășurării.
- Ajustarea impedanței inductorului în funcție de frecvență – prin selectarea și combinarea adecvată a materialelor pentru miez.
Limitările miezurilor magnetice
Totuși, utilizarea miezurilor magnetice implică și câteva probleme importante, iar materialul miezului trebuie ales cu atenție în funcție de aplicație. Printre aspectele care trebuie luate în considerare se numără:
- Fiecare material de miez prezintă pierderi semnificative peste un anumit domeniu de frecvență. De exemplu, adăugarea unui miez magnetic unei bobine cu miez de aer poate reduce factorul de calitate al inductorului, în funcție de materialul utilizat și de frecvența de funcționare.
- Permeabilitatea tuturor miezurilor magnetice variază în funcție de frecvență și în general scade până la valori foarte mici către limita superioară a domeniului lor de funcționare. În cele din urmă, aceasta se apropie de permeabilitatea aerului (µr = 1), iar miezul devine practic „invizibil” pentru circuit.
- Cu cât permeabilitatea miezului este mai mare, cu atât acesta este mai sensibil la variațiile de temperatură. Prin urmare, inductanța bobinei poate varia considerabil într-un interval larg de temperatură.
- Permeabilitatea miezului magnetic depinde și de nivelul semnalului aplicat. Dacă intensitatea curentului prin inductor este prea mare și densitatea fluxului magnetic din miez crește excesiv, miezul ajunge la saturație.
Aceste probleme pot fi gestionate încă din etapa de dezvoltare prin selectarea corectă a inductoarelor pentru aplicația prevăzută. În acest scop sunt necesare diagramele de impedanță care prezintă cele trei curbe R, XL și Z. Evoluția lor în funcție de frecvență depinde în mare măsură de proprietățile magnetice ale materialului miezului.
Factorul de calitate și pierderile în miez
Circuitul echivalent al unui inductor fără miez magnetic este prezentat în Figura 3.
Factorul de calitate al unui inductor cu miez de aer este dat de ecuația 1:
Q = XL / RS (1)
unde pentru XL se aplică ecuația 2:
XL = ω × L (2)
unde RS reprezintă rezistența înfășurării.
Dacă inductorului i se adaugă un miez magnetic, circuitul echivalent devine similar celui prezentat în partea dreaptă a Figurii 3. Rezistența Rp(f) este introdusă pentru a reprezenta pierderile care apar în miezul propriu-zis.
Aceste pierderi dependente de frecvență includ pierderile prin histerezis magnetic și pierderile prin curenți turbionari. Pierderile prin histerezis sunt asociate realinierii particulelor magnetice din material atunci când magnetizarea se modifică. Curenții turbionari apar ca urmare a curenților induși în materialul miezului și generează la rândul lor pierderi de energie.
În plus, inductanța L devine dependentă de frecvență și poate fi exprimată prin L(f), deoarece permeabilitatea magnetică a materialului variază neliniar cu frecvența f. Factorul de calitate al unui inductor cu miez de ferită este astfel un parametru variabil, dependent inclusiv de curentul care traversează componenta și trebuie determinat pentru fiecare caz în parte.
Ferita este un material care conține în principal fier și este obținut dintr-un amestec pe bază de oxid de fier și alți constituenți metalici. Conductivitatea sa electrică redusă limitează formarea curenților turbionari și menține astfel la un nivel scăzut pierderile asociate acestora. O caracteristică importantă a acestor materiale este dependența lor pronunțată de frecvență, densitatea fluxului magnetic și temperatură.
Permeabilitate magnetică
Proprietățile magnetice ale materialelor pot fi descrise prin permeabilitatea magnetică µ. Aceasta caracterizează răspunsul magnetic al unui material prin relația dintre densitatea fluxului magnetic B și intensitatea câmpului magnetic H, conform ecuației 3:
μ = ΔB / ΔH (3)
Valoarea permeabilității absolute µ exprimă raportul dintre B (T) și H (A/m), unitatea de măsură în Sistemul Internațional (SI) fiind H/m. Permeabilitatea relativă nu are unitate de măsură și este raportată la permeabilitatea vidului (µ0). Aceasta este valoarea specificată de regulă în fișele tehnice ale inductoarelor și indică în ce măsură un anumit material concentrează câmpul magnetic în comparație cu vidul.
Rezultă astfel relația prezentată în ecuația 4:
μ = μr × μ0 (4)
unde µ0: permeabilitatea magnetică a vidului: 1.26 × 10-6 (H/m).
Majoritatea materialelor din ferită utilizate sunt amestecuri pe bază de oxid de fier cu adaosuri de mangan-zinc (MnZn) sau nichel-zinc (NiZn). Valoarea µr se situează, de regulă, în intervalul 600–15.000 pentru MnZn și 10–1.500 pentru NiZn.
Permeabilitate complexă
Este important de reținut că permeabilitatea relativă depinde puternic de frecvența câmpului magnetic. În plus, curbele din Figura 4 indică faptul că permeabilitatea magnetică relativă are două componente: o componentă reală µr‘ și una imaginară µr“. Această permeabilitate complexă devine relevantă la frecvențe ridicate, atunci când apare un defazaj între H și B. Relația este exprimată prin ecuația 5:
µ = (B0 × ej(ωt-δ)) / (H0 × ejωt) = B0 / H0 × e-δ = (B0 / H0) × cos(δ) = – j × (B0 / H0) × sin(δ) (5)
Aplicarea acestei relații în cazul unui inductor cu miez de ferită conduce la ecuațiile 6 și 7:
LS = μ′ × L0 (6) și RS = ω × L0 × μ″ (7)
unde L0 reprezintă inductanța înfășurării fără ferită.
Prin urmare, se obține relația din ecuația 8:
Z = j × ω × L0 × (μ′ − j × μ″) = R + j × X (8)
Din formule se observă cu ușurință că o permeabilitate ridicată conduce la o inductanță mare, dar este asociată de obicei și cu pierderi mai mari în miez.
Curbele de impedanță și unghiul de fază
Figura 5: Curbele de impedanță ale inductorului WE-RFI 744760256A. (Sursă imagine: Würth Elektronik)
Componentele impedanței, respectiv Z(f), XL(f) și R(f), sunt prezentate în fișele tehnice ale inductoarelor cu miez de ferită. Figura 5 prezintă din nou curbele de impedanță ale inductorului WE-RFI 744760256A.
Acest lucru evidențiază importanța curbelor de impedanță pentru funcționarea corectă a unui circuit în care sunt utilizate inductoare cu miez de ferită. Impedanța Z rezultă din combinația vectorială a rezistenței ohmice R și a reactanței XL. Rezistența ohmică R are un caracter disipativ: energia este transformată în căldură și nu mai poate fi recuperată. Reactanța XL reprezintă componenta impedanței determinată de inductanță. Unghiul de fază exprimă defazajul dintre tensiunea aplicată componentei și curentul care o traversează. Atât rezistența ohmică cât și reactanța variază cu frecvența și în consecință se modifică și unghiul de fază.
Saturația miezului și polarizarea în curent continuu
Figura 6: Impedanța componentelor WE-RFI 744760256A și WE-CBF 742792653 pentru diferite valori ale curentului de polarizare în curent continuu, în funcție de frecvență. (Sursă imagine: Würth Elektronik)
Materialele magnetice prezintă și efecte de saturație care, peste anumite frecvențe, depind în principal de densitatea fluxului magnetic și implicit de curentul care traversează inductorul cu miez de ferită. Acest fenomen este denumit saturația miezului și nu apare în cazul unui inductor cu miez de aer.
Figura 6 prezintă impedanța componentelor WE-RFI 744760256A și WE-CBF 742792653 pentru diferite valori ale curentului de polarizare în curent continuu, în funcție de frecvență. Diferența este clar vizibilă.
Inductoarele bobinate pe miez de ferită sunt mai puțin sensibile la polarizarea în curent continuu decât feritele SMT pentru același curent nominal.
Influența diferitelor niveluri de polarizare în curent continuu asupra curbelor de impedanță poate fi simulată pentru toate codurile de produs cu ajutorul platformei online de simulare RedExpert de la Würth Elektronik [4].
Domenii de aplicare recomandate pentru inductoare
Tabelul 1 oferă o prezentare generală a celor mai importanți parametri ai celor trei tipuri de componente inductive și a domeniilor de aplicare recomandate.
Aspectele legate de măsurarea comportamentului impedanței și recomandările detaliate privind alegerea inductorului potrivit pentru diverse aplicații depășesc scopul acestui articol.
Tabelul 1: Prezentare generală și comparație a celor mai importanți parametri ai feritei SMT, ai inductorului ceramic și ai inductorului bobinat pe miez de ferită.
Nota de aplicație ANP129 de la Würth Elektronik, pe care se bazează acest articol, prezintă o configurație mai detaliată pentru măsurarea comportamentului impedanței și descrie o metodă simplă de măsurare a acesteia.
În plus, diferitele domenii de utilizare ale celor trei tipuri de componente inductive sunt ilustrate folosind ca exemplu un generator de semnal de 20 MHz.
Autor: Dr. Heinz Zenkner
Editor: Gerhard Stelzer
Dr.-Ing. Heinz Zenkner a studiat ingineria electrică, cu specializare în comunicații și tehnologia frecvențelor radio și deține titlul de doctor în inginerie. De mulți ani, este expert tehnic autorizat în domeniul compatibilității electromagnetice (EMC). Pe lângă numeroase publicații științifice, este autorul multor lucrări dedicate compatibilității electromagnetice. Heinz Zenkner a activat și ca lector la diverse universități, la Camera de Industrie și Comerț și în cadrul a numeroase seminarii. Este implicat de mulți ani în domeniul electronicii industriale, urmărind dezvoltarea produselor de la conceptul inițial până la producția de serie. Este interesat în mod special de transferul wireless de energie, domeniu pentru care și-a dezvoltat propriile concepte teoretice și practice.
Surse
[1] SMT ferrite WE-CBF from Würth Elektronik: https://www.we-online.com/en/components/products/WE-CBF
[2] SMT inductor with ceramic core from Würth Elektronik: https://www.we-online.com/en/components/products/WE-KI
[3] Wire-wound SMT bead ferrite from Würth Elektronik: https://www.we-online.com/en/components/products/WE-RFI_FERRITE_BEAD
[4] Example simulation in RedExpert: https://we-online.com/re/5oGcZLA5
[5] Zenkner, H.: Inductors, SMT ferrites and wire-wound SMT ferrites – The wire makes the difference. AppNote ANP129 from Würth Elektronik: https://www.we-online.com/ANP129
Glosar de termeni
Inductor – Componentă pasivă care stochează energie într-un câmp magnetic atunci când este parcursă de curent electric.
Inductanță (L) – Mărime electrică ce caracterizează capacitatea unui circuit sau a unei componente de a se opune variației curentului electric.
Ferită SMT – Componentă inductivă cu material feritic, destinată montării pe suprafață și utilizată frecvent pentru atenuarea perturbațiilor de înaltă frecvență.
Impedanță (Z) – Mărime care exprimă opoziția totală a unei componente la trecerea curentului alternativ, incluzând componentele rezistivă și reactivă.
Reactanță inductivă (XL) – Componenta impedanței determinată de inductanță, a cărei valoare crește odată cu frecvența.
Factor de calitate (Q) – Parametru care caracterizează pierderile unui inductor. Un factor Q ridicat indică pierderi reduse.
Capacitate parazită – Capacitate electrică nedorită care apare între spire sau terminale și influențează comportamentul componentei la frecvențe ridicate.
Efect pelicular (skin effect) – Fenomen prin care curentul alternativ tinde să se concentreze spre suprafața conductorului pe măsură ce frecvența crește.
Permeabilitate magnetică (µ) – Proprietate a unui material care caracterizează răspunsul acestuia la aplicarea unui câmp magnetic.
Permeabilitate complexă – Reprezentare a comportamentului magnetic al unui material printr-o componentă reală și una imaginară.
Saturația miezului – Stare în care creșterea curentului nu mai produce o creștere proporțională a fluxului magnetic din miez.
Polarizare în curent continuu (DC bias) – Curent continuu aplicat unui inductor care poate modifica proprietățile magnetice ale miezului și impedanța componentei.