Istnieją trzy typy elementów pasywnych w obwodach elektronicznych: rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne, spośród których cewki mogą być w zasadzie najbardziej osobliwe. Zjawisko indukcyjności odkryli Michael Faradaya i Joseph Henry w latach trzydziestych XIX wieku: Faraday odkrył, że zmieniające się pole magnetyczne może indukować prąd; Henry niezależnie badał zjawisko „samoindukcji”, które odnosi się do indukcji prądu w przewodniku samym w sobie.
Zanim ludzie w pełni zrozumieli elektromagnetyzm, tajemnicą było to, że samo nawinięcie drutu w cewkę może zmienić jego właściwości elektryczne. W początkach radia entuzjaści majsterkowania do montażu radia tranzystorowego używali pręta magnetycznego lub tekturowej rurki o długości zaledwie kilku cali, nawiniętej dziesiątkami zwojów drutu, aby wykonać cewki strojenia.
Schematyczny symbol cewki indukcyjnej opiera się na jej wyglądzie fizycznym (rysunek 1). Rodzaje cewek indukcyjnych obejmują pusty, żelazny rdzeń i zmienny.
Rysunek 1: Cewki indukcyjne (rysunek po prawej) początkowo składały się z drutów owiniętych wokół pustej rurki lub żelaznego rdzenia; Odpowiednie symbole zasad pokazano na rysunku (ilustracja po lewej). (Źródło obrazu: Hackatronic.com)
Indukcyjność jest cechą przewodnika i pod wpływem jego pola magnetycznego prąd przepływający przez przewodnik często się zmienia. Dlatego cewki indukcyjne są czasami nazywane dławikami, ponieważ mogą „dławić” zmiany prądu. Zależność pomiędzy indukcyjnością (L) a szybkością zmian napięcia (V) i prądu (I) można wyrazić prostym równaniem: V=L (dI/dt).
Chociaż cewki indukcyjne są nadal szeroko stosowane, nie nadają się już do wielu dzisiejszych obwodów. Mogą być zbyt duże, nie zapewniać wymaganych wartości, wykazywać niepożądane efekty pasożytnicze, mieć wysoką rezystancję DC (DCR) i wykazywać degradację wydajności przy wyższych częstotliwościach. W porównaniu do wczesnych entuzjastów radia typu „zrób to sam”, obecnie można kupić gotowe cewki uzwojone do zastosowań w częstotliwości radiowej (RF) o wymiarach mniejszych niż 1 milimetr kwadratowy (mm2).
Nowoczesne cewki do przekształtników mocy
Chociaż cewki indukcyjne poczyniły znaczne postępy, nawet ulepszone cewki indukcyjne mają wady pod względem wydajności i rozmiaru w przypadku nowoczesnych obwodów. Nowoczesne cewki indukcyjne to precyzyjne komponenty, które zostały starannie wymodelowane, z w pełni zdefiniowanymi parametrami rdzenia i wtórnymi oraz właściwościami zoptymalizowanymi zgodnie z różnymi priorytetami zastosowań.
Ponadto dostawcy opracowali nowe materiały, aby sprostać potrzebom różnych topologii zasilaczy impulsowych, takich jak przetwornice z pojedynczą końcówką pierwotnej cewki (SEPIC), przetwornice Ć uk (nazwane na cześć ich wynalazcy Slobodana Ć uk) i różne konfiguracje zwiększania napięcia.
Większość tych cewek wykorzystuje zaawansowane materiały ferrytowe i proszkowe, a ich właściwości zostały starannie dostrojone. Cewki te mają wyjątkowo niski współczynnik DCR (znacznie poprawiający wartość Q indukcyjności – standardową wartość do pomiaru wydajności indukcyjności) i płynny spadek indukcyjności. To ostatnie odnosi się do stopnia, w jakim rzeczywista wartość indukcyjności maleje lub „zanika” z powodu nasycenia rdzenia magnetycznego wraz ze wzrostem prądu stałego, podobnie jak charakterystyka częstotliwościowa filtra.
Cewki stosowane w zasilaczach zazwyczaj muszą mieć również stosunkowo wysoką obciążalność prądową, zwykle rzędu dziesiątek amperów. Parametr ten nie jest zdefiniowany przez pojedynczą wartość, ale przez wiele wartości, takich jak średni prąd kwadratowy (Irms), prąd szczytowy (Ipeak) i prąd nasycenia (Isat). Cewki dostarczane przez producenta będą miały różne kombinacje prądu znamionowego i inne parametry najwyższego poziomu, aby spełnić wymagania priorytetowe różnych struktur topologicznych.
Producent opracował również zaawansowane materiały i technologię montażu powierzchniowego (SMT) (rysunek 2), które są w stanie wytrzymać związane z tym ciepło bez uszczerbku dla wydajności i niezawodności. Typ ekranowania pomaga zminimalizować problemy związane z zakłóceniami częstotliwości radiowej (RFI) we wrażliwych zastosowaniach.
Rysunek 2: Cewki indukcyjne SMT dużej mocy mogą teraz zapewniać zaskakująco małe rozmiary bez wpływu na wydajność. (Źródło obrazu: Eaton)
Seria formowanych cewek indukcyjnych HCM/HPAL firmy Eaton Electronics Division odzwierciedla zaawansowanie i zróżnicowanie tych cewek zoptymalizowanych pod kątem konwerterów. Obie serie wykorzystują zaawansowane materiały indukcyjne, które charakteryzują się trwałością, wysokim prądem i niskim poziomem EMI. Ich formowana konstrukcja może zapewnić miękki spadek indukcyjności w różnych zakresach prądu znamionowego.
Urządzenia serii HCM i HPAL występują w różnych rozmiarach, jednak ich objętość jest stosunkowo niewielka.
Aby zapewnić niezawodność i solidność, znamionowa temperatura pracy urządzeń HCM/HPAL wynosi od -55 do 125°C (temperatura otoczenia plus wzrost temperatury własnej) i zawierają one inhibitory rdzy, które pomagają zapobiegać rdzewieniu powierzchni w wilgotnym środowisku (poziom MSL 1).
Seria HCM wykorzystuje zaawansowany prasowany proszek żelaza o doskonałej wydajności Isat, co można zobaczyć w dwóch reprezentatywnych urządzeniach, HCM0503V2-R68-R i HCM0503V2-4R7-R. HCM0503V2-R68-R to nieekranowana cewka indukcyjna DCR o mocy 680 nanohenrów (nH) i 8 miliomach (m Ω) o częstotliwości roboczej do 1 megaherca (MHz). Jego wymiary to zaledwie 5,7 × 5,4 × 3,0 mm, a prąd znamionowy wynosi 10 amperów (A) (Irms)/12 amperów (Isat). HCM0503V2-4R7-R wykorzystuje ten sam rozmiar obudowy, ale nadaje się do sytuacji wymagających wyższej indukcyjności. Jest to nieekranowane urządzenie o rezystancji 4,7 µH, 47 m Ω i prądzie znamionowym 4,1 A (Irms)/6 A (Isat).
W przeciwieństwie do tego, cewki HPAL wykorzystują proszek stopowy, aby osiągnąć niższy DCR i wyższe Irms przy jednoczesnym zachowaniu niższych strat w rdzeniu. Zakres mocy tej serii cewek indukcyjnych wynosi od 0,15 μH do 10 μH, a prąd od 4,5 A do 40 A. Posiada funkcję ekranowania elektromagnetycznego (EMI), co jest kluczowe w niektórych zastosowaniach. Przykładowe urządzenia obejmują HPAL1V0630-R47-R (cewka 470 nH, 4,1 m Ω o wartości znamionowej 18 A (Irms) i 20 A (Isat)) i HPAL1V0630-8R2-R (cewka 8,2 µH, 55 m Ω o wartości znamionowej 5 A (Irms) i 5,5 A (Izat)).
Wykres na rysunku 3 przedstawia zależność odpływu pomiędzy nominalną indukcyjnością, prądem stałym i temperaturą cewki indukcyjnej HPAL1V0630-8R2-R.