Одним из наиболее трудных вопросов, возникающих в процессе конструирования ИИП, является вопрос расчета трансформаторов и катушек индуктивности, в том числе и дросселей.

Изложенный ниже материал дает возможность не только создавать КИ самостоятельно. Автор надеется также, что читатели смогут использовать эту информацию для проверки и изменения параметров КИ при повторении и ремонте радиолюбительских или промышленных конструкций. Ведь часто главным препятствием для этого являются трудности в приобретении ферритовых сердечников указанного типа или намоточного провода определенного диаметра.

Следует оговориться, что приводимые ниже формулы и таблицы могут применяться при расчете любых КИ, а не только при расчете дросселей и трансформаторов для ИИП. Точность расчета параметров КИ на основе изложенной ниже методики составляет 25–35 %, что в большинстве случаев достаточно для практических целей. Встречаемые же иногда в литературных источниках претензии на более высокую точность расчета вызывают некоторое сомнение, поскольку справочные данные изготовителей сердечников сами по себе имеют точность порядка 25 % и только некоторые ферриты для сигнальных цепей определены более точно.

Основные характеристики

Основными электрическими характеристиками КИ являются индуктивность, омическое сопротивление обмотки, максимальный рабочий ток и величина потерь в сердечнике. Кроме того, немаловажными характеристиками являются габаритные размеры и вес, а также цена и трудоемкость изготовления.

Требования к КИ варьируются в зависимости от конкретного применения. Например, для многих понижающих преобразователей и для большинства помехоподавляющих фильтров индуктивность дросселя может быть выбрана большей, чем требуется по расчету. При этом качество работы преобразователя или фильтра не ухудшается, а, напротив, становится лучше. В то же время дроссели для инвертирующих и повышающих преобразователей должны иметь определенную, довольно строго заданную расчетом величину индуктивности. В таких случаях существенное отклонение индуктивности примененной КИ от требуемой — как ее уменьшение, так и увеличение — приводит к нежелательным режимам работы ИИП, излишним потерям и перегрузкам полупроводниковых приборов.

Аналогичная картина наблюдается и для трансформаторов. В некоторых применениях, таких как двухтактные преобразователи и однотактные преобразователи с передачей энергии «на прямом ходе ключа», индуктивность первичной обмотки трансформатора не является критичной и всегда может быть увеличена или при соблюдении некоторых условий даже уменьшена. В то же время однотактные преобразователи «на обратном ходе ключа», которые по своей сути являются инвертирующими преобразователями, весьма чувствительны к величине индуктивности трансформатора. В этом случае трансформатор фактически является видоизмененным дросселем.

Что касается максимального рабочего тока и сопротивления обмоток, то здесь предела улучшению нет: практически любой дроссель или трансформатор можно успешно заменить на дроссель или трансформатор с большим максимально допустимым значением рабочего тока и меньшим сопротивлением обмоток.

Индуктивность

Индуктивность КИ рассчитывается по формуле:

L = A_L * N² (мкГн)     (1)

где A_L — справочный параметр сердечника, мкГн; N — количество витков в обмотке.

Для кольцевого сердечника с замкнутым магнитным сердечником без зазора параметр A_L легко вычислить самостоятельно по формуле:

A_L = m₀ * m_i * S_e / L_e (мкГн),     (2)

где m_i — начальная магнитная проницаемость материала сердечника; m₀ — абсолютная магнитная проницаемость вакуума, физическая константа имеющая значение 1.257x10^-3 мкГн/мм; S_e — эффективная площадь сечения магнитопровода, мм²; l_e — эффективная длина сердечника, мм.

Справочные данные ряда сердечников без зазора приведены в таблицах 1–4. Там же указаны эффективные геометрические параметры сердечников l_e и S_e , а также относительная магнитная проницаемость феррита. При использовании материала с другим значением магнитной проницаемости значение параметра A_L следует пересчитать:

A_L = A_L(табл) * m_i / m_i(табл),    (3)

где A_L[табл] — табличное значение коэффициента индуктивности сердечника; m_i[табл] — магнитная проницаемость феррита, указанная в таблице; m_i — магнитная проницаемость используемого материала.

Таблица 1. Некоторые кольцевые ферритовые сердечники фирмы Philips

Cер-деч-ник	TC2.5/ 1.5/1	TC4/ 2.2/1.1	TC4/ 2.2/1.6	TC6.3/ 3.8/2.5	TN9/ 6/3	TN10/ 6/4	TN13/ 7.5/5	TN14/ 9/5	TN14/ 9/9	TN16/ 9.6/6.3	TN19/ 11/10
Объем (мм3)	2,73	8,82	12,9	46,5	102	188	368	430	774	760	1795
Эффек-тивная длина	6,06	9,18	9,2	15,2	22,9	24,1	30,1	35	35	38,5	44
Эффек-тивное сечение (мм2)	0,45	0,961	1,4	3,06	4,44	7,8	12,2	12,3	22,1	19,7	40,8
Масса (г)	0,014	0,04	0,06	0,23	0,5	0,95	1,8	2,1	3,8	3,8	9,2
Марка фер-рита (ui)	3D3 (750)	4A11 (92)	4A11 (700)	4A11 (700)	4C65 (125)	4C65 (125)	4C65 (125)	4C65 (125)	4A11 (700)	4A11 (700)	3C85 (2000)
AL (мкГн)	0,07	0,092	0,134	0,177	0,03	0,052	0,064	0,055	0,56	0,45	2,33
Марка фер-рита (ui)	3B7 (2300)	3F3 (1800)	3S4 (1700)	3F3 (1800)	4A11 (700)	4A11 (700)	4A11 (700)	4A11 (700)	3F3 (1800)	3F3 (1800)	3C11 (4300)
AL (мкГн)	0,215	0,24	0,325	0,45	0,17	0,286	0,36	0,31	1,43	1,16	5
Марка фер-рита (ui)	3E27 (3800)	3E25 (5500)	3F3	3E25 (5500)	3F3 (1800)	3F3 (1800)	3F4 (900)	3F3 (1800)	3C85 (2000)	3C85 (2000)	3E25 (5500)
AL (мкГн)	0,35	0,725	0,34	1,39	0,44	0,74	0,46	0,79	1,6	1,3	6,42
Марка фер-рита (ui)	3E25 (3800)	3E5 (8500)	3E25 (5500)	3E5 (8500)	3C85 (2000)	3C85 (2000)	3F3 (1800)	3C85 (2000)	3C11 (4300)	3C11 (4300)
AL (мкГн)	0,35	1,12	1,05	2,15	0,485	0,82	0,9	0,88	3,4	2,7
Марка фер-рита (ui)	3E6 (10000)	3E6 (10000)	3E5 (8500)	3E6 (10000)	3E25 (5500)	3C11 (4300)	3C85 (2000)	3C11 (4300)	3E25 (5500)	3E25 (5500)
AL (мкГн)	0,93	1,315	1,63	2,53	1,34	1,75	1	1,9	4,37	3,54
Марка фер-рита (ui)			3E6 (10000)	3E7 (12000)	3E5 (8500)	3E25 (5500)	3C11 (4300)	3E25 (5500)	3E5 (8500)	3E5 (8500)
AL (мкГн)			1,915	3,6	2,07	2,25	2,2	2,43	6,76	5,47
Марка фер-рита (ui)					3E6 (10000)	3E5	3E5 (8500)	3E5 (8500)	3E6 (10000)	3E6 (10000)
AL (мкГн)					2,435	3,47	4,34	3,76	7,955	6,43

Таблица 2. Сердечники RM и Р (броневые)

Проницае-мость (марка феррита)	Тип сердеч-ника	RM4/i	RM5/i	RM6S/i	RM7/i	RM8/i	RM10/i	RM12/i
	Габарит-ные размеры (мм)	9.8х 9.8х 10.4	12.3х 12.3х 10.4	14.7х 14.7х 12.4	17.2х 17.2х 13.4	19.7х 19.7х 16.4	24.7х 24.7х 18.6	29.8х 29.8х 24.5
	Эффек-тивный объем Ve (мм3)	322	574	1090	1325	2440	4310	8340
	Эффек-тивная длина le (мм)	23,3	23,2	29,2	30	38,4	44,6	56,6
	Эффек-тивное сече-ние, se (мм2)	13,8	24,8	37	44,1	63	96,6	146
	Масса двух половин (г)	1,7	3,3	4,9	7,7	12	22	45
1800 (3F3)	Проница-емость сердеч-ника, ue	1280	1270	1350	1390	1440	1490	1560
	AL (мкГн)	0,95	1,7	2,15	2,5	3	4,05	5,05
2000 (3С85 или 3С90)	Проница-емость сердеч-ника, ue	-	1340	1470	1500	1560	1620	1700
	AL (мкГн)	-	1,8	2,35	2,7	3,25	4,4	5,5
2300 (3И8 или 3Н1)	Проница-емость сердеч-ника, ue	-	1490	1620	1670	1730	1820	1910
	AL (мкГн)	-	2	2,6	3	3,6	4,95	6,2
3800 (3Е1)	Проница-емость сердеч-ника, ue	2400	2350	2600	2570	2800	2900	2850
	AL (мкГн)	1,8	3,15	4,1	4,75	5,8	8	9,2
4700 (3Е4)	Проница-емость сердеч-ника, ue	3360	3350	3590	3590	3800	4040	4100
	AL (мкГн)	2,5	4,5	5,75	6,6	8	11	13,3
10000 (3Е5)	Проница-емость сердеч-ника, ue	4700	4980	5370	5370	6000	5900	-
	AL (мкГн)	3,5	6,7	8,6	10	12,5	16	-

Примечание: Для сердечников типа Р размер в (мм) указан в из названии виде: (наружный диаметр)/(высота). Сердечники типа Р соответствуют отечественным броневым сердечникам Б.

Таблица 3. Сердечники из двух Ш-образных половин

Проницае-мость (марка феррита)	Тип сердеч-ника	E20/ 10/5	E30/ 15/7	E42/ 21/15	E55/ 28/21	E65/ 32/27	EF12.6/ 7/4	EF16/ 8/5	EF20/ 10/6	EF25/ 13/7
	Сечение средней части (мм)	5х5	7х7	12х15	17х21	20х27	3.6х3.6	4.5х4.5	6х6	7.5х7.2
	Сечение наружных частей (мм)	4х5	5х7	6х15	8.5х21	10х27	2х3.6	2.3х4.5	3х6	3.5х7.2
	Эффек-тивный объем Ve (мм3)	1340	4000	17600	43700	78200	384	754	1500	3020
	Эффек-тивная длина le (мм)	42,8	67	97	123	147	29,6	37,6	44,9	57,5
	Эффек-тивное сече-ние, se (мм2)	31,2	60	182	354	532	13	20,1	33,5	52,5
	Вес каждой половины (г)	4	11	44	115	200	0,9	2,3	3,7	8
1800 (3F3)	Проница-емость сердеч-ника, ue	1270	1400	1530	1580	1600	1300	1300	1300	1400
	AL (мкГн)	1,15	1,6	3,6	5,7	7,3	0,7	0,9	1,2	1,6
2000 (3С85 или 3С90)	Проница-емость сердеч-ника, ue	1430	1700	1660	1650	1850	1600	1500	1450	1750
	AL (мкГн)	1,3	1,9	3,9	5	8,4	0.9	1	1,35	2
4300 (3С11)	Проница-емость сердеч-ника, ue	2850	2930	3400	3500	3650	2200	2700	2770	2700
	AL (мкГн)	2,6	3,3	8	12,8	16,7	1,2	1,8	2,6	3,1

Примечание: Обозначение сердечника указывает на габаритный размер каждой Ш-образной половины в следующем порядке: (длина)(ширина)(толщина).

Таблица 4. Сердечники из двух Ш-образных половин с круглым средним стержнем

Проницае-мость (марка феррита)	Тип сердеч-ника	EТD29/ 16/10	ETD34/ 17/11	ETD39/ 20/13	ETD44/ 22/15	ETD49/ 25/16	EC35/ 17/10	EC41/ 19/12	EC52/ 24/14	EC70/ 34/17
	Сечение средней части (мм)	9,5	10,8	12,5	15	16,5	9,5	11,6	13,4	16,4
	Сечение наружных частей (мм)	5470	7640	11500	17800	24000	6530	10800	18800	40100
	Эффек-тивный объем Ve (мм3)	72	78,6	92,2	103	114	77,4	89,3	105	144
	Эффек-тивная длина le (мм)	76	97,1	125	173	211	84,3	121	134	279
	Эффек-тивное сече-ние, se (мм2)	14	20	30	47	62	18	26	56	125
	Вес каждой половины (г)
1800 (3F3)	Проница-емость сердеч-ника, ue	1430	1480	1500	1550	-	-	-	-	-
	AL (мкГн)	1,9	2,3	2,6	3,2	3,6	-	-	-	-
2000 (3С85 или 3С90)	Проница-емость сердеч-ника, ue	1580	1600	1650	1650	1700	1600	1600	1600	1600
	AL (мкГн)	2,1	2,5	2,8	3,5	4	2,1	2,7	3,6	3,9
4300 (3С11)	Проница-емость сердеч-ника, ue	3150	-	-	-	-	-	-	-	-
	AL (мкГн)	4,2	-	-	-	-	-	-	-	-

Примечание: Обозначение сердечника указывает на габаритный размер каждой Ш-образной половины в следующем порядке: (длина)(ширина)(толщина).

Известно, что обозначение марки отечественных ферритов включает в себя указание на их начальную магнитную проницаемость, например, феррит 1000HМ имеет магнитную проницаемость mi =1000 и так далее. Типичный диапазон проницаемости для ферритов лежит в пределах 100-10000. Практически все разъемные сердечники для силовой электроники выполняются из ферритов с высокой магнитной проницаемостью: 1500 и более. Следует иметь в виду, что чем выше магнитная проницаемость феррита, тем выше потери в сердечнике на высоких частотах. Разъемные сердечники из материала с низкой проницаемостью предназначены для сигнальных цепей, их не рекомендуется использовать в силовых цепях ИИП.

Технические данные некоторых зарубежных ферритов приведены в табл. 5. Из-за недостатка места относительно подробный перечень приведен только для ферритов фирмы Philips, для других фирм автор ограничился популярными силовыми ферритами для разъемных сердечников ИИП.

Таблица 5. Основные характеристики некоторых ферритов

Марка феррита	3D3	3H1	3H3	3E1	3E4	3E5	3E8	3C10	3C80	3C85
Изготовитель	Plilips
Материал феррита	MnZn
Начальная магнитная проницаемость, ui	750	2300	2000	3800	4700	10000	2300	1800	2000	2000
Цвет пластикового покрытия колец	-	-	-	-	-	бел/желт	-	-	-	красн
Предел.значение плотности потока магнитной индукции, Bmax, (мТ), при 25°С	320	350	330	350	360	380	420	-	420	400
Bmax (мТ) при 100°С	260	210	250	200	210	210	330	350	330	330
Фактор потерь 10-6 tgб/ui	30	5	2,5	20	20	75	5	-	-	-
Удельные потери (мкВт/мм3) при 200 (мТ)	-	-	-	-	-	-	-	140	250	140
на частоте (МГц)	1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,016	0,025	0,025
Гистерезис, nb (1/Т), при перемагничивании 1.5-3 (мТ)	0,0018	0,001	0,006	0,0012	0,001	0,001	-	-	-	-
Удельное сопротивление (Ом*м)	2	1	2	1	1	0,5	2	1	1	2
Плотность (кг/м3)	4700	4800	4700	4800	4800	4900	4800	4800	4800	4800

Примечания.

1. Ферриты 3S1 и 4S1 предназначены для подавления высокочастотных помех. Выпускаются в виде трубок и бусин, надеваемых на провод.
2. В круглых скобках приведены удельные потери при 100 (мТ).

    Наиболее часто для разъемных сердечников ИИП употребляются марганец-цинковые ферриты следующих марок:

• 3C85, 3C90, 3F3 фирмы Philips;
• N27, N41, N47, N67 фирмы Siemens;
• PC30, PC40 фирмы TDK;
• B50, B51, B52 фирмы Thomson-LCC;
• F44, F5, F5A фирмы Neosid, и т.д.

Никель-цинковые ферриты предпочтительны для использования на частотах более 2 МГц, что выходит за рамки рабочего диапазона частот большинства современных ИИП. Как видно из приведенной таблицы, ферриты разных изготовителей имеют схожие параметры и образуют взаимозаменяемые семейства. Их можно заменить в том числе и отечественными ферритами марок 1500ММ, 2000ММ, 2500ММ.

Кольца фирм Philips и Siemens имеют пластиковую оболочку, цвет которой указывает на марку феррита или порошкового железа. На разъемных сердечниках марка материала, как правило, указана в текстовом виде. К сожалению, не все магнитные сердечники имеют надлежащую маркировку. Приблизительно оценить магнитные свойства феррита можно следующим образом: как правило, ферриты с более высокой проницаемостью темные, почти черные, они обнаруживают заметно зернистую структуру на сколах и разломах, тогда как ферриты с относительно низкой проницаемостью имеют серый цвет и более однородную структуру.

Значение A_L для сердечников с зазором тоже можно получить на основе табличных данных. При увеличении зазора эффект получается такой же, как если бы магнитная проницаемость материала сердечника уменьшалась. Даже сравнительно небольшие зазоры уменьшают проницаемость сердечника в десятки и сотни раз. Получаемая при этом эффективная магнитная проницаемость me зависит в основном от геометрических размеров и почти не зависит от магнитной проницаемости материала:

m_e = l_e / g    (4)

где l_e — эффективная длина средней магнитной линии сердечника, мм; g — суммарная толщина зазора, мм.

Формула (4) справедлива при выполнении следующих условий: me много меньше проницаемости материала сердечника mi, а зазор g много меньше размеров поперечного сечения сердечника.

Обратите внимание на то, что для разъемных сердечников в табл. 2–4, помимо значения магнитной проницаемости феррита mi, приведено и значение эффективной магнитной проницаемости me для сердечника без зазора, которое имеет меньшую величину. Дело в том, что реально разъемный сердечник всегда имеет некий зазор, хотя и очень маленький. Кроме того, часть магнитных линий проходит мимо сердечника, особенно если размеры его малы, а форма значительно отличается от кольцевой.

При очень малых зазорах или малой проницаемости феррита соотношение (4) неточно, ведь даже при нулевом зазоре эффективная магнитная проницаемость не может превысить магнитной проницаемости материала сердечника. При очень больших зазорах форма магнитного поля в них искажается, что приводит к дополнительным погрешностям при использовании формулы (4). Выражение «много меньше» подразумевает отношение в 10 и более раз. Пусть читателей не смущает кажущаяся ограниченность области применения формулы (4), она покрывает подавляющее большинство практических случаев.

Например, возьмем сердечник, состоящий из двух Ш-образных магнитопроводов E20/10/5, изготовленных из материала 3C85, то есть из феррита с проницаемостью m_i=2000. Длина средней магнитной линии сердечника 42,8 мм, размеры поперечного сечения 3.5x5.0 мм в тонкой части магнитопровода. Введем в сердечник прокладку из немагнитного материала толщиной 0.25мм, ширина зазора получится 2x0,25=0,5 мм. Эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором m_e=42,8/0,5=85,6. При этом условия применимости формулы (4) соблюдены: m_e=85,6 много меньше, чем 2000; зазор g=0,5 мм много меньше 3.5 мм.

Окончательная формула для расчета параметра AL сердечника с зазором такова:

A_L = (A_{L (табл)} * l_e) / (m_{e (табл)} * g)    (5)

где A_{L [табл]} и m_{e [табл]} — табличные значения, а условия применимости такие же, как у формулы (4).

Продолжим приведенный выше пример с сердечником E20/10/5 из феррита 3C85. Его табличные значения

A_{L [табл]}=1,3 мкГн, m_{e [табл]}=1430. После введения зазора 0,5 мм формула (5) дает результат A_L=0,074 мкГн.

Ограниченный объем журнальной статьи не позволяет поместить данные всех имеющихся на рынке видов сердечников. Выход из положения подсказывают следующие рассуждения.

Значение A_L зависит только от двух факторов: магнитной проницаемости и геометрии сердечника. Практически любой замкнутый сердечник можно рассматривать как «деформированное кольцо». Например, сердечник, состоящий из двух Ш-образных половин, можно представить так: большое кольцо разрезали вдоль на два тонких кольца, затем эти тонкие кольца деформировали в прямоугольники и составили вместе в виде «восьмерки». Очень важно, что при таком геометрическом (топологическом) преобразовании параметр A_L изменяется незначительно. Следовательно, любой замкнутый сердечник сложной формы можно мысленно подвергнуть и обратному преобразованию в кольцо.

Таким образом, становится ясно, как поступать с сердечниками, не описанными в таблицах: надо измерить их геометрические размеры, вычислить длину средней магнитной линии и усредненное поперечное сечение магнитопровода, а затем найти A_L сердечника по формуле (2).

Например, для того же сердечника E20/10/5, имеющего длину средней магнитной линии приблизительно 45мм и усредненное сечение магнитопровода приблизительно 5x6=30 мм2, расчет по формуле (2) дает результат A_L=1,257 мкГн. Это недалеко от «истинной» табличной величины AL=1,3 мкГн, которая сама по себе имеет точность 25 %. Есть и другой путь. Нетрудно найти значение AL по результатам измерения индуктивности пробной обмотки. Намотайте небольшую обмотку на проверяемый сердечник, например, 10 витков (N=10). Затем измерительным мостом или LC-метром измерьте получившуюся индуктивность L и рассчитайте A_L по формуле:

A_L = L / N²    (6)

Найти, сколько витков должна иметь обмотка для получения заданной индуктивности, можно по формуле:

N = (L / A_L)^1/2    (7)

Легко видеть, что обе последние формулы являются простыми преобразованиями формулы (1).

Насыщение сердечника

В случае когда через катушку с сердечником протекает большой ток, магнитный материал сердечника может войти в насыщение. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечет за собой пропорциональное уменьшение индуктивности. Снижение индуктивности вызывает дальнейший ускоренный рост тока через КИ, и т. д. В большинстве ИИП насыщение сердечника крайне нежелательно и может приводить к следующим негативным явлениям:

• повышенный уровень потерь в материале сердечника и увеличенный уровень омических потерь в проводе обмотки приводят к неоправданно низкому КПД ИИП;
• дополнительные потери вызывают перегрев КИ, а также расположенных поблизости радиодеталей; уместно будет упомянуть, что надежность электронной аппаратуры обычно снижается вдвое при увеличении температуры на каждые 6 градусов;
• сильные магнитные поля в сердечнике в сочетании с уменьшением его магнитной проницаемости являются многократно усиленным, по сравнению с нормальным режимом работы, источником помех и наводок на малосигнальные цепи ИИП и другие приборы;
• ускоренно нарастающий ток через КИ вызывает ударные токовые перегрузки ключей ИИП, повышенные омические потери в ключах, их перегрев и преждевременный выход из строя;
• ненормально большие импульсные токи КИ влекут за собой перегрев электролитических конденсаторов фильтров питания, а также повышенный уровень помех, излучаемых проводами и дорожками печатной платы ИИП.

Список можно продолжить, но и так уже ясно, что следует избегать работы сердечника в режиме насыщения. Ферриты входят в насыщение, если величина плотности потока магнитной индукции превышает 300 мТ (миллитесла), причем эта величина не так уж сильно зависит от марки феррита. То есть 300 мТ является как бы врожденным свойством именно ферритов, другие магнитные материалы имеют другие величины порога насыщения. Например, трансформаторное железо и порошковое железо насыщаются при величине плотности потока магнитной индукции примерно 1Т, то есть могут работать в гораздо более сильных полях. Более точные значения порога насыщения для разных ферритов указаны в табл. 5.

Величина плотности потока магнитной индукции в сердечнике рассчитывается по следующей формуле:

B = 1000 * m₀ * m_e * I * N / l_e (мТ),    (8)

    где m₀ — абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 1.257x10-3, мкГн/мм; m_e — относительная магнитная проницаемость сердечника (не путать с проницаемостью материала сердечника); I — ток через обмотку, А; N — количество витков в обмотке; l_e — длина средней магнитной линии сердечника, мм.

Несложное преобразование формулы (8) поможет найти ответ на практический вопрос: какой максимальный ток может проходить через дроссель до того, как сердечник войдет в насыщение?

I_макс = 0,001 * (B_макс * I) / (m₀ * m_e * N) (A),    (9)

где B_макс — табличное значение, вместо которого можно использовать значение 300 мТ для любых силовых ферритов

Для сердечников с зазором удобно подставить сюда выражение (4). После сокращений получаем:

I_макс = 0,001 * (B_макс * g) / (m₀ * N) (A).    (10)

Результат получается, на первый взгляд, довольно парадоксальный: величина максимального тока через КИ с зазором определяется отношением размера зазора к количеству витков обмотки и не зависит от размеров и типа сердечника. Однако этот кажущийся парадокс объясняется просто. Ферритовый сердечник настолько хорошо проводит магнитное поле, что все падение напряженности магнитного поля приходится на зазор. При этом величина потока магнитной индукции, одинаковая и для зазора, и для сердечника, зависит лишь от ширины зазора, тока через обмотку и количества витков в обмотке и не должна превышать 300 мТ для обычных силовых ферритов.

Для ответа на вопрос, какой величины суммарный зазор g надо ввести в сердечник, чтобы он выдержал без насыщения заданный ток, преобразуем выражение (10) к следующему виду:

g = (m₀ * I * N) / (0.001 * B_макс) (мм).    (11)

Чтобы нагляднее показать влияние зазора, приведем следующий пример. Возьмем сердечник E30/15/7 без зазора, феррит 3C85, магнитная проницаемость me=1700. Рассчитаем количество витков, необходимое для получения индуктивности 500 мкГн. Сердечник, согласно таблице, имеет AL=1,9 мкГн. Воспользовавшись формулой (7), получаем чуть более 16 витков. Зная эффективную длину сердечника le =67 мм, по формуле (9) вычислим максимальный рабочий ток: Iмакс=0,58 А.

Теперь введем в сердечник прокладку толщиной 1 мм, зазор составит g=2 мм. Эффективная магнитная проницаемость уменьшится. После несложных расчетов по формулам (5) и (7) находим, что для получения индуктивности 500 мкГн нам надо намотать 125 витков. По формуле (10) определяем максимальный ток КИ, он увеличился до 3,8 А, то есть более чем в 5 раз.

Отсюда следует и практическая рекомендация для читателей, самостоятельно конструирующих дроссели. Чтобы получить катушку индуктивности, работающую при максимально возможном токе, заполните сердечник проводом полностью, а затем создайте в сердечнике максимально возможный зазор. Если при проверочном расчете окажется, что дроссель имеет чрезмерный запас по току, то выбирайте меньший размер сердечника или, по крайней мере, уменьшайте количество витков в обмотке, чтобы снизить потери в меди, и одновременно уменьшайте зазор в сердечнике. Важно подчеркнуть, что эта рекомендация не относится к трансформаторам, в которых ток протекающий через первичную обмотку, определяется двумя составляющими: током, передаваемым во вторичную обмотку, и небольшим током, намагничивающим сердечник (ток магнетизации).

Как видим, зазор в сердечнике дросселя играет исключительно важную роль. Однако не все сердечники позволяют вводить прокладки. Кольцевые сердечники выполнены неразъемными, и вместо того, чтобы «регулировать» эквивалентную магнитную проницаемость при помощи зазора, приходится выбирать кольцо с определенной магнитной проницаемостью феррита. Этим и объясняется факт большого разнообразия типов магнитных материалов, применяемых промышленностью для изготовления колец, тогда как разъемные сердечники для ИИП, куда легко ввести зазор, почти всегда выполнены из ферритов с высокой магнитной проницаемостью. Наиболее распространенными при использовании в ИИП оказываются два типа колец: с низкой проницаемостью (в пределах 50...200) — для дросселей, и с высокой проницаемостью (1000 и более) — для трансформаторов.

Порошковое железо оказывается наиболее предпочтительным материалом для кольцевых неразъемных сердечников дросселей, работающих при больших токах подмагничивания. Проницаемость порошкового железа обычно находится в пределах 40...125, чаще всего встречаются кольца, выполненные из материалов с проницаемостью 50...80. В табл. 6 приведены справочные данные кольцевых сердечников из порошкового железа фирмы Philips.

Таблица 6. Кольцевые сердечники фирмы Philips из порошкового железа

Сердечник	TN7.5/ 4.1/3	TN12/ 8/4.4	TN17/ 9.8/4.4	TN20/ 13/6	TN24/ 15/7.5	TN27/ 15/11	TN33/ 20/11
Объем, (мм3)	83	290	635	1020	1895	3720	5200
Эффектив-ная длина (мм)	17,3	30,9	40,2	49,9	57,8	61,6	80
Эффектив-ное сечение (мм2)	4,81	9,37	15,8	20,4	32,8	60,4	65
Масса (г)	0,6	2	5	7,5	13	25	35
Марка материала	2Р40
AL (мкГн)	0,014	0,015	0,002	0,021	0,029	0,049	0,041
Марка материала	2Р50
AL (мкГн)	0,018	0,019	0,025	0,026	0,036	0,062	0,051
Марка материала	2Р65
AL (мкГн)	0,023	0,025	0,032	0,034	0,047	0,08	0,067
Марка материала	2Р80
AL (мкГн)	0,028	0,031	0,04	0,041	0,057	0,094	0,082
Марка материала	2Р90
AL (мкГн)	0,03	0,033	0,042	0,044	0,061	0,105	0,087

    Примечания.

1. Обозначение колец включае их размеры в (мм) в следующем порядке: (наружный диаметр)(внутренний диаметр)(толщина).
2. Последние две цифры в обозначении порошкового железа фирмы Philips указывают на его магнитнуюпроницаемость, например, 2Р65 имеет ui = 65 и т.д.
3. Цвет пластиковой оболочки: 2Р40 - темно-желтый, 2Р50 - темно-синий, 2Р65 - темно-красный, 2Р80 - темно-зеленый, 2Р90 - темно-коричневый.

Проверить, входит ли сердечник в насыщение при работе обычного ИИП, несложно: достаточно проконтролировать при помощи осциллографа форму тока, протекающего через КИ. Датчиком тока может служить низкоомный резистор или трансформатор тока. КИ, работающая в нормальном режиме, будет иметь геометрически правильную треугольную или пилообразную форму тока. В случае же насыщения сердечника форма тока будет искривлена.

Публикуется с разрешения главного редактора журнала "Схемотехника"
Алексей Кузнецов