I - Scelta del Nucleo Magnetico
| La funzione del nucleo magnetico in un induttore è fornire un cammino preferenziale al flusso magnetico indotto dalla corrente che percorre l’avvolgimento, in modo tale da poter accumulare energia in un regione non-magnetica, a bassa permeabilità. La scelta del materiale magnetico da utilizzare per la realizzazione di un induttore è legata principalmente ai seguenti parametri: la frequenza di lavoro, la forma d’onda della corrente, le dimensioni massime, le condizioni ambientali. La decisione del nucleo magnetico è fondamentale poiché ad essa succedono a cascata tutte le altre specifiche costruttive: il numero di spire e il tipo di conduttore, il tipo di isolamento, il tipo di connessione d’uscita. Sul mercato sono disponibili diversi nuclei magnetici, che si contraddistinguono per composizione chimica, processo di produzione e dimensioni. Tali fattori ne determinano le caratteristiche salienti, in particolare il comportamento del nucleo al variare della frequenza, al variare dell'induzione magnetica (o campo magnetizzante) e al variare della temperatura. |
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Per applicazioni in alta frequenza, si utilizzano normalmente i seguenti materiali:
A frequenze di lavoro più basse si può invece ricorrere a:
Analizzando nel dettaglio le caratteristiche dei vari materiali, è possibile orientarsi nella scelta del tipo di nucleo. |
Nuclei in Ferrite
La ferrite è il materiale più economico e più utilizzato nelle applicazioni in alta frequenza. Questo termine indica in realtà un gruppo di materiali ceramici ottenuti per sinterizzazione di Ossido di Ferro e altri ossidi di metalli. I materiali disponibili sul mercato sono identificati solitamente con un codice o un nome commerciale e presentano caratteristiche differenti (ad esempio permeabilità, induzione di saturazione, perdite specifiche, comportamento con la temperatura, …).
Materiale specifico, forma e dimensioni delineano le prestazioni di ogni nucleo, definendone il campo di utilizzo principale, ovvero il tipo di componente induttivo per il quale più si presta ad essere usato.
Nelle applicazioni di conversione di potenza in alta frequenza le caratteristiche delle ferriti più utilizzate presentano induzione di saturazione compresa fra 0,3 e 0,5 Tesla e permeabilità relativa di alcune migliaia. La ferrite è contraddistinta da un basso livello di induzione di saturazione, che costituisce il limite principale di questo materiale, specie nei componenti induttivi sottoposti ad una elevata corrente continua (come ad esempio negli induttori di uscita), o nelle applicazioni particolarmente critiche per l’occorrenza di sovracorrenti. Le ferriti per le applicazioni di potenza hanno il notevole vantaggio di presentare un basso livello di perdite in un ampio intervallo di frequenza.
Nuclei Laminati in Leghe Amorfe o Nanocristalline
Le laminazioni amorfe e nanocristalline sono ottenute per rapido raffreddamento di un getto incandescente di particolari leghe metalliche su rullo, ottenendo fogli dello spessore di qualche decina di μm. Le composizioni chimiche (tipicamente si distinguono i materiali cosiddetti Iron based e Cobalt based) e il processo di realizzazione (che nel caso delle leghe nanocristalline prevede un’ulteriore fase cosiddetta di annealing) stabiliscono le caratteristiche dei materiali.
A fronte di un costo decisamente superiore, per frequenze di lavoro dell’ordine di qualche decina di kHz, o per applicazioni con condizioni ambientali critiche questi materiali offrono di sicuro eccellenti prestazioni, con induzione di saturazione superiore a 0,9 Tesla, permeabilità relativa di alcune decine di migliaia e ottima stabilità con la temperatura.
La scelta di un nucleo amorfo è particolarmente indicata nel caso in cui si voglia realizzare ad esempio un induttore per un filtro d’uscita che sarà percorso quindi da un’elevata corrente continua con una piccola componente in alta frequenza, in dimensioni estremamente compatte. Sarà semplice infatti gestire l’elevata corrente, vista il livello di induzione di saturazione del nucleo, e le perdite sul nucleo saranno contenute, data la bassa ondulazione di corrente.
I nuclei nanocristallini presentano invece perdite decisamente contenute anche per variazioni notevoli di campo magnetico, pertanto possono essere sfruttati per la costruzione di trasformatori switching.
Nuclei in Polveri Metalliche
I nuclei composti da polveri metalliche, si differenziano fra loro a seconda della composizione chimica, e in particolare delle percentuali delle diverse polveri di materiali quali Ferro, Nichel, Silicio, Molibdeno. I nuclei in polveri metallica sono in grado di immagazzinare energia nelle particelle di legante del nucleo. Poiché dunque l’area non magnetica non è concentrata in una regione limitata, ma è disposta su tutto il volume, questi nuclei sono detti a traferro distribuito.
Per questa caratteristica, i nuclei in polveri metalliche si prestano alla realizzazione di induttori con elevati valori di correnti continue (tipicamente induttori d’uscita) o di trasformatori flyback in alcune particolari applicazioni. Una peculiarità dei nuclei in polveri metalliche è l’andamento smussato e dolce della curva di saturazione in corrente continua, che rende i componenti realizzati con questi nuclei particolarmente robusti alle sovracorrenti.
Al variare della proporzione fra parti magnetiche e non magnetiche, la permeabilità relativa “equivalente” del composto varia in un intervallo di valori compreso fra 10 e 600; sul mercato si trovano alcuni valori standard (come ad esempio: 26, 60, 90, 125, 147, 300, 550). Il valore di permeanza (AL) di un nucleo dipenderà quindi dal materiale, dalla forma e dalla dimensione.
Ogni composto, identificato dai diversi produttori con un codice o un nome commerciale, presenta caratteristiche diverse in termini di permeabilità, induzione di saturazione, perdite specifiche. Particolarmente stabili con la temperatura, questi materiali hanno un buon comportamento in condizioni ambientali critiche.
I nuclei in polveri metalliche hanno un costo intermedio fra la ferrite e le laminazioni amorfe e nanocristalline.