磁导率表征磁介质磁性的物理量。表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力、其公式μ=B/H、其中H=磁场强度、B=磁感应强度,常用符号μ表示,μ为介质的磁导率,或称绝对磁导率。
真空磁导率
μ0=4π×10^(-7)N/A^2
起始磁导率μi
初始磁导率是磁性材料的磁导率(B/H)在磁化曲线始端的极限值,即
μi=
式中
μ0为真空磁导率()
为磁场强度的变化率(A/m)
为磁感应强度的变化率(T)
有效磁导率μe
在闭合磁路中,如果漏磁可忽略,可以用有效磁导率来表示磁芯的性能。
式中
L为装有磁芯的线圈的电感量(H)
N为线圈匝数
Le为有效磁路长度(m)
Ae为有效截面积(m2)
饱和磁通密度Bs(T)
磁化到饱和状态的磁通密度。见图1。
剩余磁通密度Br(T)
从饱和状态去除磁场后,剩余的磁通密度。见图1。
矫顽力Hc(A/m)
从饱和状态去除磁场后,磁芯继续被反向磁场磁化,直至磁感应强度减为零,此时的磁场强度称为矫顽力。见图1。
损耗因子tanδ
损耗系数是磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三者之和。
tanδ=tanδh+tanδe+tanδr
式中
tanδh为磁滞损耗系数
tanδe为涡流损耗系数
tanδr为剩余损耗系数
相对损耗因子tanδ/μi
比损耗因子是损耗系数与与磁导率之比:
tanδ/μi(适用于材料)
tanδ/μe(适用于磁路中含有气隙的磁芯)
品质因数Q
品质因数为损耗因子的倒数:Q=1/tanδ(Q值越高,损耗越小,效率越高;
Q值越高,谐振器的频率稳定度就越高,因此,能够更准确。
品质因数Q:表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标。元件的Q值愈大,用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。
Q值是衡量电感器件的主要参数。是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高,其损耗越小,效率越高。
电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。也有人把电感的Q值特意降低的,目的是避免高频谐振/增益过大。降低Q值的办法可以是增加绕组的电阻或使用功耗比较大的磁芯.Q值过大,引起电感烧毁,电容击穿,电路振荡。)
温度系数αμ(1/K)
温度系数为T1和T2范围内变化时,每变化1K相应的磁导率的相对变化量:
式中
μ1为温度为T1时的磁导率
μ2为温度为T2时的磁导率
相对温度系数αμr(1/K)
温度系数和磁导率之比,即
减落系数DF
在恒温条件下,完全退磁的磁芯的磁导率随时间的衰减变化,即
μ1为退磁后T1分钟的磁导率
μ2为退磁后T2分钟的磁导率
居里温度Tc(℃)
在该温度时材料由铁磁性(或亚铁磁)转变为顺磁性,见图2。
电阻率(Ω.m)
具有单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻。
密度d(kg/m3)
单位体积材料的重量,即
d=W/V
式中
W为磁芯的重量(kg)
V为磁芯的体积(m3)
功率损耗Pc(kW/m3)
磁芯的高磁感应强度下的单位体积损耗或单位重量损耗.该磁通密度可表示为
E为施加在线圈上的电压有效值(V)
Bm为磁感应强度的峰值(T)
f为频率(Hz)
N为线圈匝数
Ae为有效截面积(m2)
电感系数AL(nH/N2)
电感因数定义为具有一定形状和尺寸的磁芯上每一匝线圈产生的电感量,即
AL=L/N2
式中
L:为装有磁芯的线圈的电感量(H)
N:为线圈匝数
铁氧体抗干扰磁心特性
铁氧体抗干扰磁心是近几年发展起来的新型的价廉物美的干扰抑制器件,其作用相当于低通滤波器,较好地解决了电源线,信号线和连接器的高频干扰抑制问题,而且具有使用简单,方便,有效,占用空间不大等一系列优点,用铁氧体抗干扰磁心来抑制电磁干扰(EMI)是经济简便而有效的方法,已广泛应用于计算机等各种军用或民用电子设备。
铁氧体是一种利用高导磁性材料渗合其他一种或多种镁、锌、镍等金属在℃烧聚而成,在低频段,铁氧体抗干扰磁心呈现出非常低的感性阻抗值,不影响数据线或信号线上有用信号的传输。而在高频段,从10MHz左右开始,阻抗增大,其感抗分量仍保持很小,电阻性分量却迅速增加,当有高频能量穿过磁性材料时,电阻性分量就会把这些能量转化为热能耗散掉。这样就构成一个低通滤波器,使高频噪音信号有大的衰减,而对低频有用信号的阻抗可以忽略,不影响电路的正常工作。
软磁铁氧体材料的应用及其性能要求
对软磁铁氧体,通常希望磁导率μi和电阻率ρ要高,矫顽力Hc和损耗Pc要低。根据使用的不同,还会对材料的居里温度、温度稳定性、磁导率减落系数、比损耗系数等有不同的要求。
(1)锰锌系铁氧体材料分为高磁导率铁氧体和高频低功耗铁氧体(又称功率铁氧体)两类。锰锌高磁导率铁氧体的主要特性是磁导率特别高,
通常把μi≥的材料称为高磁导率材料,一般要求μi≥1。
锰锌高频低功耗铁氧体又称功率铁氧体,对功率铁氧体材料,在性能上的要求是:较高的磁导率(一般要求μi≥)、高的居里温度、高表观密度、高饱和磁感应强度和高频下的超低磁芯损耗。
(2)镍锌系铁氧体材料,由镍锌材料(氧化镍、氧化锌、氧化铜、氧化铁)制作而成,同时也被称之为镍锌磁环。。
在1MHz以下的低频范围内,NiZn系铁氧体材料的性能比不上MnZn系,但在1MHz以上,由于它具有多孔性及高电阻率,因而大大优于MnZn系而成为高频应用中性能最好的软磁材料。其电阻率ρ可达Ωm,高频损耗小,特别适用于高频1~MHz;而且NiZn系材料的居里温度较MnZn高,Bs亦高至0.5T,Hc亦可小至10A/m,适用于各种电感器、中周变压器、滤波线圈、扼流圈。镍锌高频铁氧体材料具有较宽的频宽和较低的传输损耗,常用于高频抗电磁干扰以及高频功率与抗干扰一体化的表面贴装器件,作为抗电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)磁芯。镍锌功率铁氧体可以做成射频宽带器件,在宽频带范围内实现射频信号的能量传输和阻抗变换,其频率下限在几千赫兹,而上限频率可达几千兆赫兹;镍锌功率铁氧体材料用在DCtoDC变换器中可以使开关电源的频率提高,使电子变压器的体积和重量进一步缩小。
常见磁环-一般连接线上的磁环基本分为2种,一种是镍锌铁氧体磁环,还有一种是锰锌铁氧体磁环,它们各起着不同的作用。
锰锌铁氧体具有高磁导率和高磁通密度的特点,且在低于1MHz的频率时,具有较低损耗的特性。
镍锌铁氧体具有极高的阻抗率、不到几百的低磁导率等特性,及在高于1MHz的频率亦产生较低损耗等。锰锌铁氧体的磁导率在几千---上万,而镍锌铁氧体为几百---上千。铁氧体的磁导率越高,其低频时的阻抗越大,高频时的阻抗越小。所以,在抑制高频干扰时,宜选用镍锌铁氧体;反之则用锰锌铁氧体。或在同一束电缆上同时套上锰锌和镍锌铁氧体,这样可以抑制的干扰频段较宽。磁环的内外径差值越大,纵向高度越大,其阻抗也就越大,但磁环内径一定要紧包电缆,避免漏磁。磁环的安装位置应该尽量靠近干扰源,即应紧靠电缆的进出口。
磁环的识别镍锌磁环的颜色一般为本色(黑色),它表面带有细微的粗糙现状,因为大多数是用来做阻抗作用,所以很少去喷涂成各种颜色,那样也会增加成本,能避免不必要的工序,尽量不要刻意去做。对于喷涂颜色的磁环,大部分是用来做电感方面的,也有些是用来做抗干扰的,这些都是要根据频率和特性来配相应的磁环。很多用户经常问,如何区分镍锌磁环和锰锌磁环,一般锰锌环为绿色或各种颜色,而镍锌磁环为本色。
与此同时,上面也有提到一些,作为镍锌磁环,用于抗工作频率较高频的干扰,只有在高频才能发挥出它最大的特性。它应用于各种线束、家用电器、各种仪器和电子设备等都不可缺少的电子元器件,一般有干扰的地方都离不开它。
目前应用最广泛的软磁铁氧体材料当属尖晶石型的锰锌系列和镍锌系列,从应用角度来看,它们又可分为高磁导率、高频大功率(又称功率铁氧体)和抗电磁干扰的(EMI)铁氧体等几种类型。
磁芯的使用原则
(1)磁环长的相对较好。
(2)磁芯孔径和所穿过的电缆结合越紧密越好。
(3)低频端骚扰时,建议线缆绕2~3匝,高频端骚扰时,不能绕匝(因为分布电容的存在),选用长一点的磁环。
(4)最简单的直接扣在干扰源处,这是最方便,快捷的夹扣式磁环,它由塑料壳与两片式磁芯组装而成,又被称为组装式磁环。
特别提醒:去除高频干扰选用镍锌磁环,所谓的镍锌磁环由镍锌材料制作而成,被称为镍锌磁环,俗称高频磁环。去除低频干扰选用猛锌磁环,由猛锌材料制作而成,所以被称为猛锌磁环,俗称低频磁环。
铁氧体抑制元器件尺寸的选择:
选定材质后,一般来说,铁氧体体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的形状阻抗要大,抑制效果要好。铁氧体的横截面积越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。铁氧体的内经越小,抑制效果越好。
铁氧体抑制元器件在电路板上的应用:
电路板板上的EMI主要来自周期开关的数字电路,其高频电流在电源线和地线之间产生一个共模电压降,造成共模干扰。为抑制此干扰,我们在电源线和地线之间加去耦电容,使高频噪声短路,但是去耦电容通常会引起高频谐振,产生新的干扰。为此需要在电路板上的I/O端口加铁氧体抑制元器件会有效地将高频噪声衰减掉。
铁氧体抑制元器件在电源线上的应用:
在电源线上I/O端口加装铁氧体抑制元器件可抑制电源与电路板板之间的高频干扰传输和相互干扰。但应注意的是,在电源线上应用铁氧体元器件时会存在有直流偏流,铁氧体的阻抗和插入损耗随着直流偏流的增加而减小,但偏流增加到一定值时,铁氧体会出现饱和现象。铁氧体的磁导率越低,插入损耗受直流偏流的影响越小,越不易饱和。
铁氧体抑制元器件在信号线上的应用:
铁氧体抑制元器件最常用的地方是在信号线上。它可有效地将不需要的高频干扰抑制掉。例如在计算机中,铁氧体常用在驱动电路与键盘之间,将高频干扰抑制在工作频率之外。
铁氧体抑制元器件的安装:
同样的抑制件,安装的位置不同,抑制的效果会有很大的区别。一般要安装在I/O端口界面,用热缩管紧缩在线上。
(1)在抑制高频干扰时,宜选用镍锌铁氧体;频率在1MHZ-MHZ,镍锌铁氧体的阻值很大。
(2)在抑制低频干扰时,宜选用锰锌铁氧体;频率在1KHZ-10MHZ,阻值在kΩ以下。
(3)己知的磁芯可以绕一些线后量电感量,从而判断导磁率,越大就越低频。铁氧体的磁导率越高,其低频时的阻抗越大,高频时阻抗越小。镍锌铁氧体NXO材料的初始导磁率μ比较低约10-,使用频率从五百千赫至几百兆赫。具高电阻率,高居里温度。锰锌铁氧体MXO材料的初始导磁率μ约从-,使用频率从几十赫至几百千赫。用于上限频率f1低于kHz-1MHz的情况下。超过这个频率,必须使用NiZn(镍锌NXO)材料。