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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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.

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:

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:

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

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

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

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

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

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

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

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:

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.

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

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

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 !!!

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

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

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

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

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

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

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, B <0.25mT

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

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

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

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

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

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 )

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

Copyright Pedro Julián. Dispositivos Semiconductores - DIEC/UNS 2008

Datasheets

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

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

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

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

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.