Komponenty indukcyjne

Elementy indukcyjne są kluczowym komponentem w impulsowych układach konwersji energii elektrycznej, niezbędnym składnikiem filtrów i systemów ochrony przed zakłóceniami, a także tym, co zapewnia użytkownikom sprzętu elektronicznego bezpieczeństwo oraz ochronę przed porażeniem. Komponenty te decydują o sprawności zasilaczy, wielkości, wadze urządzeń, wydajności i ogólnie pojętej jakości. Są one kluczowym podzespołem dla rynku zasilania, elektroniki przenośnej, oświetlenia LED-owego.

Nowości w zakresie elementów indukcyjnych

Nowości w elementach indukcyjnych są bardzo liczne, ale niestety także mało widoczne. Ogólnie są to innowacje w zakresie materiałów magnetycznych, kształtów rdzeni, a więc pośrednio sposobu wykonania uzwojenia oraz używanych materiałów nawojowych i typów kontaktów elektrycznych. W dalszej kolejności są to zaawansowane materiały izolacyjne, skomplikowane procesy impregnacji oraz montażu takich komponentów.

Nowe materiały magnetyczne zapewniają pracę przy dość dużych częstotliwościach kluczowania, mają małe straty związane z przemagnesowaniem, wysoką indukcję nasycenia i podobne właściwości. Producenci proponują w tym obszarze ferryty z różnych mieszanek tlenków metali, spiekane drobiny czystego metalu o różnym ziarnie składzie i proporcjach. Eksperymenty prowadzone są w wielu kierunkach także w stronę rozwiązań hybrydowych, a więc bazujących na ferrytach łączonych ze sproszkowanym metalem, po to, aby zapewnić dużą indukcję nasycenia, małe straty na histerezie, a także aby uzyskać łagodną charakterystykę zapobiegającą gwałtownemu spadkowi indukcyjności przy zbliżeniu się z wartością prądu do nasycenia. Można też powiedzieć, że celem zmian w nowościach są maksymalizacja energii, jaką można zgromadzić w danej objętości materiału magnetycznego lub uzyskanie najkorzystniejszego stosunku ceny do parametrów.

Główne trendy techniczne

 

Główne trendy techniczne w elementach indukcyjnych to miniaturyzacja i wynikające z niej coraz większe zaawansowanie techniczne. Widać to najbardziej w dławikach mocy w obudowach SMD, w których nie ma karkasu ani też widocznego podziału na rdzeń i uzwojenie. Taki element jest zaprasowaną jednolitą konstrukcją o dobrym ekranowaniu, rozpraszaniu ciepła przy najmniejszych możliwych gabarytach. W elementach do układów o większej mocy widać znaczenie nowych materiałów na uzwojenia, izolację i materiałów magnetycznych oraz coraz większe skomplikowanie konstrukcyjne transformatorów po to, aby umożliwić wytwarzanie zasilaczy małych, lekkich i wydajnych, a na dodatek wysokosprawnych.

Kształt materiału magnetycznego, czyli kształtka, decyduje o możliwości nawinięcia uzwojenia o określonej objętości, możliwości integracji w obudowie a także o indukcyjności rozproszenia. W tym obszarze też sporo się dzieje, a liczba ofertowych wariacji na temat kształtów takich jak "R" lub "E" stale się zwiększa.

Druty nawojowe coraz częściej są wielokrotnie izolowane (nawet czterokrotnie), co ułatwia zapewnienie wysokiej jakości izolacji elektrycznej. Dzięki takim drutom większość zasilaczy powszechnego użytku jest dzisiaj wykonana w tzw. II klasie izolacji i nie wymaga uziemiania. Coraz częściej transformatory nawijane są licami oraz także taśmą miedzianą (drutem o przekroju prostokątnym), który pozwala lepiej wypełnić okno nawojowe. Jest to tzw. nawijanie krawędziowe.

Nowe materiały izolacyjne dają możliwość ciasnego upakowania uzwojenia i jednoczesnego zachowania bezpieczeństwa. Są one ważne, bo z roku na rok układy impulsowe pracują przy wyższych napięciach wejściowych.

EMC to kolejny istotny czynnik prorozwojowy dla rynku

Poza miniaturyzacją na rynek elementów indukcyjnych pozytywnie oddziałują zagadnienia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną. Spośród wielu innych czynników na ten warto zwrócić uwagę, ponieważ wymagania w zakresie emisji zaburzeń są dzisiaj elementem zapewnienia jakości, a nie bezsensownym i niepotrzebnym wymaganiem, którego spełnienia się unika lub obchodzi. W układach impulsowych panowanie nad emisją jest ważną i niełatwą częścią pracy inżynierskiej i każde rozwiązanie układowe lub komponent, które wyraźnie w tym pomaga jest w tych działaniach cenną pomocą. Widać to między innymi po tym, że konstrukcja omawianych podzespołów staje się zwarta i zabudowana materiałem magnetycznym, a uzwojenia są ukrywane we wnętrzu, bo ogranicza to zaburzenia. Konstrukcje otwarte takie jak dławiki szpulkowe są wypierane przez rozwiązania na rdzeniach toroidalnych, można też powiedzieć, że mamy renesans rdzeni o kształtach podobnych do kubkowych.

Wymagania jakościowe staje się zwiększają

Szybki rozwój rynku elektroniki i to, że rozwiązania na niej bazujące pojawiają się w coraz to nowych obszarach techniki i branżach, prowadzą do wzrostu wymagań jakościowych stawianych przed urządzeniami elektronicznymi, a w konsekwencji przed wszystkimi wchodzącymi w ich skład elementami. Zależność ta wynika też z tego, że sprzęt elektroniczny pełni w naszym życiu coraz bardziej odpowiedzialną rolę, np. jest instalowany w energetyce, telekomunikacji, medycynie, a straty, do jakich dochodzi w przypadku niedostępności usług lub awarii sprzętu w takich obszarach, są coraz wyższe. Dotyczy to także trudnodostępnych miejsc instalacji, w jakich elektronika się pojawia i gdzie nie zawsze ma dobre warunki środowiskowe podczas działania. Przykładem może być oświetlenie ledowe, gdzie wzrost temperatury wywołany kiepską wentylacją w miejscu instalacji jest w stanie zdegradować w krótkim czasie konstrukcję.

W elementach indukcyjnych zagadnienia te są bardzo istotne z kilku powodów. Po pierwsze narażenia mechaniczne, a więc wibracje i udary wywołują naprężenia w uzwojeniach i rdzeniu i prowadzą do pękania, rozklejania rdzeni oraz rozszczelnienia zalew i uszkodzeń na izolacji. Elementy te mają nierzadko dużą masę przez co przeciążenia mechaniczne wynikające z drgań są problemem dla jakości w aspekcie długoterminowym. Podobnie negatywnie na konstrukcję oddziałują zmiany temperatury i wilgotności, które dodatkowo są w stanie pogorszyć z czasem jakość izolacji, niemniej zjawisk fizycznych, które w długiej perspektywie wpływają na jakość elementów, jest więcej. Ich wpływ na jakość zwiększa się też wraz z obciążeniem mocą, bo płynące duże prądy powodują na-grzewanie, wysokie napięcia niszczą izolację na skutek mikrowyładowań oraz wyładowań niezupełnych (koronowych), a wysokie wartości indukcji magnetycznej na skutek efektu magnetostrykcji mogą wywołać przykre dla ucha piski. Takie problemy są codziennością dla producentów podzespołów indukcyjnych, ale coraz większa świadomość projektantów elektroniki pomaga w rozwoju rynku w kierunku długoterminowej jakości, bo wiadomo, co można wymagać i za co się płaci.