ИНДУКТИВНО-ЧАСТОТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Применяемые в устройствах измерительной техники и радио­технических устройствах магнитные материалы можно разделить на три группы: 1) металлические; 2) магнитодиэлектрические; 3) не­металлические. К первым относятся стали различных марок, а так­же сплавы типа пермаллой. Недостатком их является то, что при повышении рабочей частоты в них резко возрастают потери на вихревые токи. Росту потерь способствует низкое значение электри­ческого сопротивления этих материалов. Для уменьшения влияния вихревых токов магнитопроводы высокочастотных устройств изго­товляются в виде тонких изолированных пластин и лент толщиной в несколько микрон. Однако прокатка таких пластин технологиче­ски сложна и связана с большими затратами.

Магнцтодиэлектрики (например, карбонильное железо, альси - фер) представляют собой смесь ферромагнитного порошка с изо­лирующим материалом. Они имеют малые потери на вихревые токи вследствие того, что каждая ферромагнитная частица окру­жена слоем диэлектрика. Однако значение относительной магнит­ной проницаемости таких материалов не превышает 100.

Наиболее благоприятное сочетание электрических и магнитных свойств на высоких частотах отличает синтетические неметалличе­ские ферромагнетики — ферриты, представляющие собой химиче­ское соединение окиси железа iFe203 с окислами двухвалентных ме­таллов (Ni, Zn, Mn, Mg, Fe). Ферриты получаются путем смешива­ния окислов и солей и спекания их при высоких температурах (от 1 ООО до 1 400° С).

Свойства ферритов весьма разнообразны и определяются хими­ческим составом и технологией изготовления. Наряду с моноферри­тами, у которых часть атомов железа в окиси Fe203 замещена одним из перечисленных металлов, большое распространение полу­чили ферриты, содержащие два характеризующих металла и более, например никельцинковый и марганцевоцинковый ферриты.

Важнейшими достоинствами ферритов являются большое удель­ное электрическое сопротивление и высокое значение магнитной проницаемости. При комнатной температуре удельное сопротивле­ние для разных марок ферритов колеблется от 10 до 106 0М‘М, что позволяет считать их магнитными полупроводниками. Благо­даря этому свойству потери на вихревые токи в материале феррита незначительны. Добротность катушек индуктивности с ферритами может достигать (2-f-5) • 102 в диапазоне частот до 1 Мгц. На ча­стотах до 10 кгц диэлектрическая проницаемость ферритов высока, но при повышении частоты до нескольких сотен килогерц быстро падает до 20—40. Ее значение следует учитывать при расчете соб­ственной емкости катушки с ферритовым сердечником.

Как и другие ферромагнитные вещества, ферриты характеризу­ются магнитной индукцией В, складывающейся из напряженности Я внешнего намагничивающего поля и напряженности поля 4я/, создаваемого самим намагниченным телом.

Магнитная проницаемость ц является важнейшей характеристи­кой феррита.

При использовании ферритов в качестве сердечников первич­ных преобразователей измерительных устройств большое значение приобретает стабильность их магнитной проницаемости. Последняя зависит от напряженности внешнего магнитного поля, частоты, тем­пературы.

При отсутствии магнитного поля магнитная проницаемость при­нимает значение |хн, называемое начальным. С ростом Я магнитная проницаемость возрастает до некоторой максимальной величины

М-макс - При перемагничивании феррита зависимость В(Н) изобра­

жается в виде петли гистерезиса, площадь которой пропорциональ­на потерям и увеличивается с ростом частоты.

В зависимости от площади петли гистерезиса ферриты делятся на магнитожесткие (с большой площадью петли), применяемые для постоянных магнитов, и магнитомягкие (с малой площадью петли), широко используемые в многочисленных радиотехнических и изме­рительных устройствах, а также в схемах автоматики и телемеха­ники в качестве сердечников, запоминающих элементов и т. д. В последних случаях используются ферриты с прямоугольной пет­лей гистерезиса.

Индукция насыщения ферритов значительно ниже индукции насыщения металлических ферромагнетиков. Это делает нецелесо­образным использование ферритов в сильных полях.

В измерительных частотно-зависимых цепях значения напря­женности магнитного поля и вариации их при изменении режимов работы схемы очень невелики. В этих условиях зависимостью |i от Я можно пренебречь, полагая, что сердечник работает на пря­молинейном участке кривой намагничивания.

Ферриты характеризуются значением граничной частоты. При частотах выше граничной магнитная проницаемость ферритов резко падает. Этому предшествует резкое увеличение магнитных потерь. Значение граничной частоты уменьшается при увеличении магнит­ной проницаемости феррита. При частотах ниже граничной зависи­мостью іx(f) также можно пренебречь.

Из частотных и температурных характеристик магнитной про­ницаемости и tg 6 никельцинковых ферритов [Л. 9] следует, что область частот, в пределах которой можно пренебречь зависи­мостью їх от //, у материалов со средним значением |i простирается до 1 Мгц.

Таким образом, при правильном выборе частотного диапазона устройства и материала сердечника можно считать его магнитную проницаемость не зависимой от возможных изменений / и Н. Основным фактором, влияющим на магнитную проницаемость фер­рита и, следовательно, на стабильность устройства, является темпе­ратура.

Точка Кюри (Г, °К), соответствующая температуре, при кото­рой материал теряет свои магнитные свойства, у ферритов гораздо ниже, чем у металлических ферромагнетиков (у железа Г, °К= = 729° С). Она зависит от химического состава, технологии изготов­ления феррита и колеблется в пределах 70—150° С. Материалы с более высоким значением |i имеют более низкие точки Кюри.

Из сказанного выше следует, что при выборе феррита следует учитывать конкретные условия его работы, частотный диапазон и необходимую стабильность параметров. При этом недостаточно руководствоваться только значением магнитной проницаемости ма­териала.

В табл. 2-2 приведены магнитные характеристики некоторых отечественных никельцинковых и марганцевоцинковых ферритов, получивших широкое распространение.

Никельцинковые ферриты по значению магнитной проницаемо­сти можно разделить на три группы: высокопроницаемые (|х^ ^1 200); ферриты со средней проницаемостью (ц= 100— 1 200); низкопроницаемые ферриты (|i=100).

Первые применяются в тех случаях, когда к коэффициенту по­терь и температурному диапазону не предъявляется жестких требо­ваний, например для дросселей и трансформаторов. Ферриты вто­рой группы используются для изготовления сердечников катушек индуктивности; они должны обладать хорошей температурной ста­бильностью и малыми потерями. Низкопроницаемые ферриты харак­теризуются хорошими высокочастотными свойствами и могут рабо­тать на частотах йо 100 Мгц.

Никельцинковые ферриты отличаются высоким значением удельного сопротивления, малыми потерями и хорошими частот­ными характеристиками, особенно при частотах выше 1 Мгц. В диа­пазоне частот до 1 Мгц с ними успешно конкурируют марганцево-

цинковые ферриты, имеющие меньшие потери и меньший темпера­турный коэффициент проницаемости. Кроме того, у марганцевоцин­ковых ферритов с высокой начальной магнитной проницаемостью точка Кюри выше, чем у никельцинковых ферритов с такой же про­ницаемостью.

Применение ферритов с достаточно высокой магнитной прони­цаемостью в качестве материалов для сердечников позволяет создавать миниатюрные датчики, обладающие высокой чувствитель­ностью и хорошими динамическими свойствами подвижной системы. Как будет показано ниже, при соответствующем выборе геометри­ческих размеров удается даже без дополнительной коррекции полу­чить высокую линейность выходной характеристики преобразова­теля на большом участке перемещений сердечника. Это исключает необходимость введения в электрическую схему преобразователя специальных функциональных элементов.