Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Dispositivos Semiconductores.

Presentación del tema: "Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Dispositivos Semiconductores."— Transcripción de la presentación:

1 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Dispositivos Semiconductores

2 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Inductores

3 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Organización Características Generales y Principios Básicos Núcleos Magnéticos (Ferrites) Características Eléctricas de Inductores Chokes Hojas de Datos Bibliografía

4 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Revisión de Conceptos Básicos

5 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Revisión de Conceptos Básicos Campo Magnético: H Fuerza Magnetomotriz: F +-

6 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Lorenz Force Law

7 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Densidad de Flujo: B Flujo Magnético: Φ B es análogo a J (densidad de corriente) Φ es análogo a I (corriente) F es análogo a V (fuente de tensión)

8 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Ley de Faraday Relaciona flujo y tensión inducida

9 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Ley de Lenz La tensión inducida por un flujo magnético es tal que provoca una corriente que a su vez provoca un flujo que se opone al original

10 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Ley de Lenz The induced magnetic field inside any loop of wire always acts to keep the magnetic flux in the loop constant.

11 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Ley de Ampere Relaciona la corriente en un arrollamiento con la fuerza magnetomotriz F y el campo magnético H Corrientes en un arrollamiento son fuentes de MMF:

12 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Relación entre B y H Dada una cierta MMF aplicada F, las propiedades del material determinan el flujo resultante B  Aire:

13 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Relación entre B y H  Medio Magnético: Característica no lineal  Aproximación lineal a tramos:  La permeabilidad relativa puede ser 10^3 a 10^5 B B H H

14 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Modelo LAT no modela histéresis Material satura cuando B>Bsat (=aire) Unidades (MKS): Eq. B=  0  r H BTesla HAmpere/metro ΦWeber

15 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Caracteríticas de un inductor Arrollamiento con n vueltas  Faraday:  Ampere:  Ecuación del material:  Expresión de L:

16 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Circuitos Magnéticos En un elemento de largo l, area A, una fuerza F genera un flujo El flujo magnético es contínuo, por lo tanto se cumple la ley de nodos

17 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Núcleo con separación de aire MMF:

18 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Núcleo con separación de aire La reluctancia aumenta, reduce la no-linealidad y la inductancia Aumenta el valor de Isat

19 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Transformador ideal La F total se obtiene sumando la del primario y la del secundario En el caso ideal  →∞ (R →0) Además dΦ/dt=v 1 /n 1 =v 2 /n 2

20 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Transformador real Se añade la caída en el núcleo, que es ≠ 0 Además dΦ/dt=v 1 /n 1 =v 2 /n 2 En el primario:

21 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Transformador real: Saturación La corriente de magnetización es la integral de la tensión de primario (secundario) Para reducir la densidad de flujo, se deben aumentar las vueltas o el área.

22 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Pérdidas en Inductores Cambios en la magnetización del material requieren energía que se traducen en la curva de histéresis La potencia de pérdidas es: Energía = volúmen del núcleo × área de histéresis

23 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Pérdidas en Inductores Los materiales magnéticos son aleaciones de acero. Por ende, son buenos conductores El flujo genera una tensión que es la que induce corrientes.  Campos magnéticos de AC producen corrientes eléctricas (Eddy)  Las corrientes Eddy generan pérdidas i 2 ×R  La tensión es proporcional a la derivada de la tensión: Pérdidas aumentan con f 2 Materiales de alta densidad de flujo tienen altas pérdidas

24 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Pérdidas en Inductores Silicon steel poseen Bsat = 1.5 a 2 T Aleaciones amorfas tienen bajas pérdidas y Bsat = 0.6 a 0.8 T Núcleos de ferrite y materiales cerámicos tienen Bsat=0.25 a 0.5 T y bajas pérdidas Resistencia serie del cable: Importante por el tamaño !!!

25 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Ferrites

26 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Magnetization curves Elementary atomic magnets are aligned in macroscopic regions (Weiss’ domains) From H=0, B=0, the initial magnetization curve is obtained At low levels of field strength domains favorably oriented to magnetic field grow at the expense of the others

27 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Hysteresis At higher field strength whole domains overturn (steepest part) Finally, magnetic moments are moved out of preferred directions –given by the lattice- into the field direction until saturation is reached If H is reduced the curve is different Commutation curve is obtained by joining the loops

28 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Hysteresis: Basic Parameters Saturation Magnetization Bs  Max. flux density attainable. Technically, is the flux density at H=1200A/m Remanent flux density Br(H)  Measure of residual magnetization (H=0) Coercive field strength Hc  B can be reduced to zero by applying –Hc

29 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Hysteresis: Basic Parameters Demagnetized state can be restored any time by:  Traversing the loop at high frequency and reduce the field to zero  Exceeding the Curie temperature

30 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Permeability Initial Permeability (  i )  Measured at low excitation levels, it is the most important means of comparison of soft magnetic materials Effective Permeability (  e )  Defined for cores with air gaps

31 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Permeability Complex Permeability  Shows frequency behaviour of core at very low field strength  Snoek’s law: Cut off frequency inversely prop. to intial permeability  Figure: R10 toroid, N 48 material, measured @ B <0.25mT

32 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Permeability Reverse Permeability(  rev )  Permeability measured with superimposed DC value

33 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Shape Characteristics Inductance of a ring core is defined as: Due to geometry soft magnetic ferrite cores change the flux parameters. Effective parameters are defined to simplify calculations:  le: effective magnetic length; Ae: effective magnetic cross section; Amin: min magnetic cross section; Ve=Ae*le: efective magnetic volume

34 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Shape characteristics Tolerances

35 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Small-signal definitions Tan δ (Loss factor)  Losses in small signal range Relative Loss Factor  For an air-gapped core

36 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Small-signal definitions Quality Factor Q  It is the reciprocal of the loss factor. It depends on frequency, inductance, temperature, winding wire and core permeability

37 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 High-Excitation Range Parameters Core losses Pv  Hysteresis + eddy currents + residual  In ferrites, eddy currents can be disregarded  Depend exponentially on Temp. and Flux  Winding losses must be considered too Performance Factor PF = f ∙ Bmax  Maximum power a ferrite can transmit (loss not exceding 300kW/m 3 )

38 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Influence of Temperature  (T) Curve  Initial permeability  i as a function of Temperature Curie Temperature Tc  Above the Curie temperature ferrite materials lose their ferromagnetic properties,  i drops to 1. The parallel alignment of the elementary magnets (spontaneous magnetization) is destroyed by increasing thermal activation.  This phenomenon is reversible, i.e. when the temperature is reduced below Tc again, the ferrimagnetic properties are restored.

39 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Coil characteristics Resistance Factor Ar  DC resistance Rcu per unit turn:  Can be calculated from winding data:  : Copper resistivity 17.2  Ω mm A N : Cross section of winding l N : Average length of turn f Cu : copper space factor

40 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Formats

41 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Formats Cases are used to wind wire according to the desired inductance

42 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Toroids

43 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Pot Cores

44 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 E-Cores

45 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 RM Cores

46 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Ferrite Rods

47 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Bobbins and Clips

48 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Material Types T66 N45 SIFERRIT Ferrite Polymers

49 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Example: T66

50 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Características Eléctricas y Tipos de Arrollamientos

51 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Características Eléctricas Rated voltage Vr  (component can be operated continuously under nominal operating conditions) Rated current Ir Overcurrent Pulse handling capabilities Current derating Iop/Ir  Above ambient temperature current must be decreased

52 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Rated inductance Lr Stray inductance Inductance decrease ΔL/Lo Winding capacitance Quality factor (ωl/R)

53 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Applications

54 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Tipos de arrollamientos Simple  Las únicas capacidades son entre una vuelta y la otra  Menores capacidades y mayores frecuencias de resonancia

55 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Tipos de arrollamientos Múltiples niveles  Se crean capacidades entre vueltas y también entre distintos niveles  Mayores capacidades y menores frecuencias de resonancia

56 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Tipos de arrollamientos Niveles aleatorios  Se minimizan asi las capacidades  Frecuencias de resonancia son comparables a las de arrollamiento simple

57 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Frequency response

58 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Chokes

59 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 RF chokes: Applications Decoupling of signal and control circuits Filtering supply voltages Filters Electromagnetic compatibility (EMC) Uses:  Entertainment, Lighting, Telecommunications, Automotive Applications, Industrial Electronics, Household Appliances

60 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Current vs. Inductance

61 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 General Technical Data

62 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Current handling vs. Temp. Current derating Iop/Ir versus ambient temperature Ta (rated temperature Tr=40 o C)

63 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Color code

64 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Datasheets (1)

65 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Datasheets (2)

66 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 SMT Inductors

67 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008

68 Datasheets

69 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Appendix

70 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Interference Diff. interference (low freq.) Common mode (high frequency)

71 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Interference Possible filters

72 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Use of Chokes

73 Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008 Bibliografía EPCOS AG 2000, Inductors, Application Note. EPCOS AG 2000, Chokes, Application Note. EPCOS AG 2000, Ferrites, Application Note.