CURS 13Inductoare II

Inductanţa echivalentă la conectarea în serie şi paralel

Inductanţa echivalentă grupării serie este suma inductanţelor

Valoarea inversă a inductanţei echivalente grupării paralel este suma valorilor inverse ale inductanţelor

Coeficientul K Nagaoka depinde de raportul dintre diametrul şi lungimea solenoidului (1 pt raport 0, 0.2 ptraport 10)

Inductanţa unui solenoid cu un singur strat

lAN

L r2

0μμ=

A – secţiunea transversală a inductorului

L – lungimea bobinajului

N – numărul de spire

O formulă mai precisă pentru inductanţa solenoidului fără miez este (Nagaoka):

lAKN

L2

00

μ=

Bobinajul toroidal ideal este distribuit uniform pe circumferinţa torului. Simetria structurii creează un câmp magnetic cu linii de flux circulare în interiorul miezului; lipsa discontinuităţilor face ca toate liniile să rămână în interiorul miezului.Structura permite realizarea de transformatoare foarte eficiente (flux de scăpări neglijabil) şi are avantajul unor interferenţe electromagnetice minime.

Inductanţa unei bobine toroidale

rAN

L r

πμμ2

20≅

A – secţiunea torului

r – raza de la centru la mediana torului

Forma miezului oală este rotundă cu un cilindru interior şi înconjoară aproape complet bobinajul.Miezul este despicat în două jumătăţi ce permit asamblarea uşoară a structurii .

Structura prezintă un efect de ecranare, prevenind radiaţia şi reducând interferenţele electromagnetice.

Inductanţa unei bobine cu miez oală de ferită

2NAL L ⋅= AL – inductanţa specifică unei spire

Miniaturizarea circuitelor electronice şi utilizarea de frecvenţe tot mai înalte în sistemele de radiocomunicaţie de genul telefonie mobilă, PCN sau GPS a determinat necesitatea apariţiei unor inductoare chip performante în tehnologie SMT.

Familia ACCU-L de dispozitive inductive SMD produse de AVX a fost dezvoltată utilizând tehnologia straturilor subţiri, ceea ce a permis obţinerea unui inductor chip real ( nu se foloseşte fir bobinat ) de dimensiuni reduse având factor de calitate Q şi frecvenţă proprie de rezonanţă SFR ridicate. Această componentă este disponibilă în mărimea 0805 ( 2x1.5x0.9 mm ).

Tendinţele actuale majore ale industriei telecomunicaţiilor, în special în domeniul telefoniei mobile, sunt utilizarea unor frecvenţe de lucru tot mai înalte şi folosirea componentelor miniaturizate SMD.

Inductorul SMD cel mai des utilizat în prezent în aplicaţiile de înaltă frecvenţă are structura din figura alăturată – conductor bobinat pe un miez ne-magnetic.

Inductoare SMD performante

Utilizarea acestui miez ne-magnetic este esenţială în cazul operării la frecvenţe înalte pentru că materialele magnetice prezintă în general modificări severe ale perfomanţelor la frecvenţe de ordinul MHz şi zecilor de MHz.

Dezavantaje:

-construcţia sa fizică - trebuie să aibă profil înalt având în vedere că liniile de flux magnetic sunt paralele cu axa sa ( secţiunea inductorului este produsul dintre lăţimea şi grosimea sa) şi astfel o componentă subţire nu poate fi proiectată în mod eficient. Dar componentele înalte pot aluneca pe placa de cablaj imprimat în timpul operaţiunilor de pick&place efectuate pe maşini foarte rapide;

- terminaţiile, zonele de lipire sunt numai parţiale.

-delicateţea conductorului de bobinaj, în special în punctul de contact cu zona terminală a componentei, ceea ce ridică probleme de fiabilitate.

Inductoare SMD performante

O abordare alternativă ce permite obţinerea unui inductor de înaltă frecvenţă care este simultan mic şi solid este de a-l realiza pe baza tehnologiei multistrat pe substrat nemagnetic de alumină. Metoda este des folosită pentru realizarea inductoarelor în circuite hibride, dar mai rar la realizarea inductoarelor SMD discrete.

În figură se prezintă structura constructivă a unui inductor SMD multistrat ACCU-L. Straturile sale sunt realizate pe un substrat ne-magnetic de alumină şi se prezintă sub forma unor spirale conductoare acoperite cu un strat de izolator; stratul izolator superior are şi rol de încapsulare. Grosimea unui astfel de strat este tipic sub 0.3 mm iar grosimea totală a dispozitivului (substrat plus straturile inductive) este de numai 0.9 mm.

Inductoare SMD performante

Tehnologia utilizată la realizarea acestor dispozitive este fotolitografia. Utilizată pe scară largă în microlelectronică, această tehnologie permite obţinerea simultană a mii de dispozitive pe o singură placă de substrat; după realizarea tuturor straturilor inductoarele individuale sunt separate şi li se aplică zone de contactare şi lipire, realizate din strat de nichel cositorit şi care transformă inductorul chip într-un inductor SMD adevărat.

Inductoare SMD performante

Inductorul SMD ACCU-L îndeplineşte specificaţiile cerute de aplicaţiile de înaltă frecvenţă: este mic, solid, include zone terminale de lipire şi oferă performanţe electrice excelente.

Construcţia multistrat furnizează un grad înalt de control al caracteristicilor fizice şi electrice, permiţând obţinerea unui nivel constant al calităţii în cadrul unui lot de produse.

Adaptare de impedanţă

Filtru de ieşireSuprimarea anumitor armonici la ieşirea unui oscilator sinusoidal

Filtrarea armonicelor

Aplicaţii ale inductoarelor SMD tip ACCU-L

Inductoare planare

Aceste inductoare sunt realizate direct pe cablajul imprimat cu ajutorul traseelor de cupru şi pot fi mono sau multistrat

Inductoareplanare

FR4 Inductoare planare

LTCC

Inductoare planare

Substratul poate fi pe bază de fibră de sticlă (FR4) sau ceramic LTCC –Low Temperature Cofired Ceramics

Un miez planar este compus din două piese plate de material magnetic, plasate deasupra şi dedesubtul bobinajului care este în general plat, realizat ca traseu de circuit imprimat. Structura se pretează producţiei de masă şi permite realizarea ieftină a transformatoarelor de putere la un volum redus. Fluxul de scăpări nu este la fel de redus ca în cazul miezurilor oală sau toroidale.

Inductoare şi transformatoare planare

Modelarea regimului termic la transformatorul planar permite calculul pierderilor în miezul de ferită

Transformatoare planare

În majoritatea aplicaţiilor din ziua de azi este de dorit să avem componente inductive de înălţime scăzută. Acest aspect permite proiectanţilor nu numai să realizeze echipamente mai subţiri, dar şi să plaseze dispozitivul inductiv oriunde pe placa de cablaj imprimat, fără restricţii în ceea ce priveşte dimensiunile şi limitările carcasei. Situaţia cea mai fericită este atunci când componentele inductive au aceeaşi înălţime cu celelalte componente de pe placă, de exemplu au înălţimea circuitelor integrate, uzual 3 mm.

Componente inductive integrate

O primă modalitate de a realiza acest obiectiv este pur şi simplu de a reduce înălţimea miezurilor E sau RM, dar apar o serie de probleme - când miezurile devin plate este foarte dificil de realizat bobinajul, în special dacă acesta trebuie să suporte curenţi mari.

Componente inductive integrate

Bobinajele pot fi "netezite" pentru a le adapta la forma componentei întocmai ca în magnetica planară. Dispozitivele planare integrate expoatează pentru prima dată posibilitatea de a utiliza traseele de cupru ale cablajului imprimat ca înfăşurări.

Alt mod de a realiza acest lucru este demonstrat de componentele inductive integrate. O astefel de componentă constă dintr-un manşon rectangular de ferită în care s-a introdus un cadru de conductoare de cupru.

Manşonul este presat într-o singură piesă şi poate conţine şi un întrefier. Cadrul conductoarelor este rigidizat în cavitatea manşonului de ferită ( cavitate ce are are o înălţime de numai 0.75 mm ) cu ajutorul unei răşini epoxidice, răşină ce are şi rol de izolator între conductoare şi miezul de ferită. După inserţie terminalele sunt îndoite sub forma aripă de pescăruş ( gull wing ) pentru un contact eficient cu padurile cablajului imprimat, întocmai ca majoritatea capsulelor SMD pentru circuite integrate. De fapt, produsul finit arată exact ca un circuit integrat, seamănă foarte mult cu o capsulă SOT, poate fi manipulat cu ajutorul echipamentelor pick and place standard şi poate fi lipit odată cu celelalte circuite integrate de pe placă.

Componente inductive integrate

Terminalele dispozitivului formează jumătatea superioară a înfăşurării, cealaltă jumătate fiind realizată cu trasee de cablaj imprimat. În acest fel, în funcţie de structura cablajului imprimat, se pot realiza inductoare cu până la 10 spire. Acelaşi dispozitiv se poate utiliza pentru realizarea unui inductor cu 10 spire sau a 2 inductoare cu câte 5 spire şi aşa mai departe.

Componente inductive integrate

Caracteristici specifice componentelor inductive integrate

Datorită principiilor noi de realizare, aceste componente prezintă o serie de particularităţi:

- sunt componente SMD ce arată ca nişte capsulele standard de circuite integrate

- înfăşurările se completează prin trasee de cablaj imprimat- este posibilă plasarea automată ( şi lipirea ) odată cu celelalte

circuite integrate de pe placă- compatibile cu procesul de lipire prin retopire- gama largă de funcţii magnetice realizate cu acelaşi dispozitiv, în

funcţie de soluţia aleasă pentru dispunerea traseelor de cablaj - proprietăţi fizice şi mecanice superioare- livrabile în benzi şi role standard- gamă de temperatură de lucru extinsă -55....+150 grade Celsius

Componente inductive integrate cu întrefier parţial

Acest dispozitiv este prevăzut cu un întrefier parţial cu rol de a creşte capacitatea de acumulare a energiei şi, ca urmare, se recomandă a fi utilizat ca inductor de putere, şoc de ieşire sau şoc de limitare a interferenţelor electromagnetice.

Inductoarele de putere se folosesc cu rol de netezire a pulsaţiilor la ieşirea surselor de alimentare în comutaţie sau pentru obţinerea unor anumite valori ale inductanţei în convertoare DC/DC ( Buck/ Boost ) de înaltă frecvenţă sau convertoare rezonante. Datorită numărului redus de spire ce poate fi obţinut cu astfel de dispozitive, inductanţa este destul de mică, astfel că aceste componente sunt utile numai la frecvenţe mari de lucru ( peste 200 KHz ).

Inductoare saturabileInductoarele saturabile se folosesc pentru filtrarea ieşirilor independente ale surselor de alimentare în comutaţie. Funcţionarea unor astfel de inductoare este următoarea: când comutatorul SW2, reprezentând un tranzistor, este deschis, nu trece curent de reset prin înfăşurarea inductorului saturabil. Fluxul rămâne la nivel ridicat Br chiar şi când câmpul magnetic H a scăzut la zero pentru că inductorul saturabil are o caracteristică B-H dreptunghiulară.La închiderea comutatorului SW1 tensiunea pe inductor cauzează o creştere a curentului prin înfăşurare; există o mică întârziere (td) pentru că fluxul creşte de la Br la Bs, după care curentul creşte rapid la valoarea maximă.

În următorul ciclu se închide SW2 şi un curent de reset stabilit de tranzistor trece prin inductor. Resetarea la –Hc cauzează o întârziere suplimentară (tb) datorită variaţiei mari de flux. Resetarea totală cauzează o variaţie de flux de aproape 2Bs, rezultând o întârziere maximă (td+tb) şi blocarea unei părţi a energiei transferate de la transformator sarcinii.

În acest fel un curent de ordinul a 100mA poate regla curenţi de sarcină de 10A. Din acest motiv circuitul descris se numeşte regulator magnetic sau chiar amplificator magnetic.

Aplicaţia uzuală a componentelor inductive integrate este sursa de alimentare în comutaţie de profil scăzut.

Parametrii generali ai componentelor inductive integrate Philips-volum efectiv 338mm3;

-lungime efectivă 28.9mm;

-arie efectivă 11.7 mm2;

-masă 1.85g;

-rezistenţa în curent continuu 65m Ω (25°C)…85 m Ω (100°C) pentru 10 spire, 20 de lipituri şi presupunând trasee de cupru de 70μm;

-tensiunea de izolaţie >500VDC între terminale şi între terminale şi miez;

-rezistenţa de izolaţie >100M Ω între terminale;

-capacitate între înfăşurări(2 înfăşurări a 5 spire): 5pF unifilar, 10pF bifiar

-curentul maxim 4A (depinzând de grosimea traseelor de cablaj);

Aplicaţii ale inductoarelor

Senzori inductivi de proximitate

Senzorul inductiv detectează fără contact prezenţa obiectelor metalice. Structura sa cuprinde bucla inductivă 1 pe care debitează oscilatorul 2. Parametrii electrici se schimbă la apropierea unui obiect metalic (cresc pierderile prin curenţi turbionari) iar modificarea este detectată de circuitul redresor 3 şi comparator 4 determinând modificarea tensiunii date de circuitul amplificator 5.

Senzorii de proximitate sunt utilizaţi în special în aplicaţii industriale datorită imunităţii la praf şi murdărie

Distanţa de sesizare este mică, de ordinul centimetrilor.

Traductoare inductive diferenţiale cu miez mobilConstructiv, elementul sensibil este compus din două înfăşurări identice de lungime l dispuse pe o carcasă în interiorul căreia se deplasează un miez mobil feromagnetic pe distanţa de măsurat. În poziţia de referinţă (deplasare zero) miezul este introdus în mod egal în cele două înfăşurări iar deplasarea sa provoacă modificarea reluctanţelor circuitelor în sensul creşterii inductanţei unei înfăşurări concomitent cu descreşterea inductanţei celeilalte.

kxlSNL

kxlSNL

−≈

+≈

22

20

2

20

1μμ

Dacă cele două înfăşurări se conectează în braţele adiacente ale unei punţi de impedanţe alimentate în curent alternativ de la o sursă de tensiunea efectivă Ua şi pulsaţie ω, iar în celelalte două braţe fiind plasate două rezistenţe de valoare fixă, atunci variaţia tensiunii de dezechilibru a punţii în funcţie de deplasarea x este dată de relaţia alăturată

lkxUU ad =

Reducerea interferenţelor electromagnetice cu miezuri de ferită

1 perle de ferită cu terminale2,3 miezuri şi carcase detaşabile pentru cabluri rotunde sau plate4 perle de ferită pentru plăci imprimate5 miezuri supresoare cilindrice pentru cabluri6,7 perle de ferită SMD8 perle de ferită bobinate9 discuri şi plăci supresoare pentru conectoare10 kit de miezuri supresoare de ferită

Reducerea interferenţelor electromagnetice cu ajutorul miezurilor de ferită

Funcţionarea acestor dispozitive se bazează pe modificarea puternică a parametrilor materialelor magnetice cu frecvenţa

Reducerea interferenţelor electromagnetice cu ajutorul miezurilor de ferită

Şocul de mod comun se realizează prin bobinarea în fază a două înfăşurări pe acelaşi miez magnetic. Fluxurile magnetice produse de perturbaţiile de mod comun se însumează, deci se creează o impedanţă mare în calea perturbaţiei, fluxurile cauzate de curenţii de mod diferenţial se anulează reciproc, deci nu prezintă impedanţă în mod diferenţial

Şocul de mod comun nu strică forma de undă a semnalelor utile

Convertoare DC-DC în comutaţie

În aceste aplicaţii rolul inductorului este de a acumula energie în anumite momente şi de a o ceda în alte momente

Convertorul Buck primeşte o tensiune nestabilizată la intrare şi produce la ieşire o tensiune stabilizată de valoare mai redusă prin decuparea tensiunii de intrare cu ajutorul comutatorului Q şi medierea pe circuitul LC.

Convertorul Boost primeşte o tensiune nestabilizată la intrare şi produce la ieşire o tensiune stabilizată de valoare mai ridicată prin stocarea energiei în inductanţa de intrare şi transferul ei la ieşire prin comutarea repetată a comutatorului şunt Q.

Realizarea filtrării semnalelor

Un filtru este un circuit electric sau dispozitiv al cărui scop este controlul transferului energiei electrice la o anumită frecvenţă sau într-o gamă de frecvenţe. Filtrele se realizează prin gruparea componentelor pasive RLC.

Un exemplu de filtru este filtrul PI care constă din două condensatoare conectate în paralel cu ajutorul unui inductor serie. Filtrul PI se foloseşte în circuitele de redresare şi în convertoarele DC-DC pentru netezirea tensiunilor şi curenţilor de ieşire (reducerea riplului)

Transformatoare pentru înaltă frecvenţă

Aceste componente au o gamă largă de aplicaţii, de la surse în comutaţie la comunicaţii de date, adaptare de impedanţă şi izolare galvanică

Transformatoare de impulsuri pentru comunicaţii

Inductoare de înaltă frecvenţă şi curent mare – alimentarea microprocesoarelor

Controlul lămpilor cu descărcare în gaz – balast electronic pt. lămpi fluorescente

Sisteme RFID – Radio Frequency Identification

Radio Frequency Identification (RFID) = sistem care utilizeazăsemnalele radio pentru a trimite informaţie de identificare a unei anumite situaţii sau obiectSistemul poate fi utilizat pentru detectarea şi localizarea obiectelor, animalelor sau chiar a oamenilor.

Sisteme RFID – Radio Frequency Identification

Sistemul are 2 componente:1. Identificatorul ( tag, transponder) programat cu informaţia unică de identificare2. Unitatea de citire (reader, interrogator) include un decodor pentru a putea interpreta datele.

Identificatorul conţine un circuit integrat care stochează date specifice, unice identificatorului, şi un circuit de cuplare care realizează interfaţarea radio cu unitatea de citire.

Sisteme RFID – Radio Frequency Identification

Utilizarea bobinei transponder într-un circuit LC paralel asigură performanţe optime în sensul maximizării distanţei de citire. Valoarea capacităţii se alege astfel încât frecvenţa de rezonanţă a circuitului LC să fie frecvenţa semnalului de la unitatea de citire.

Bobina transponder RFID este parte a circuitului de cuplare între identificator şi unitatea de citire şi funcţionează ca o antenă.

Parametrii cei mai importanţi ai bobinei transponder sunt senzitivitatea şi distanţa maximă de citire, ambii influenţaţi de inductanţă. În general, o inductanţă mai mare determină senzitivitate sporită care determină o distanţă de citire mai mare.

La intrarea identificatorului în câmpul produs de cititor bobina transponder produce o tensiune care alimentează circuitul integrat care transmite radio informaţia unică tot cu ajutorul bobinei transponder