سلف های قدرت: دستیابی به عملکرد بالاتر از مواد جدید و فن آوری های ساخت

سه نوع جزء غیرفعال در مدارهای الکترونیکی وجود دارد: مقاومت ها، خازن ها و سلف ها که در میان آنها سلف ها ممکن است در اصل عجیب ترین باشند. پدیده اندوکتانس توسط مایکل فارادی و جوزف هنری در دهه 1830 کشف شد: فارادی کشف کرد که یک میدان مغناطیسی در حال تغییر می تواند جریان القا کند. هنری به طور مستقل پدیده "خود القایی" را مطالعه کرد که به القای جریان در یک هادی درون خود اشاره دارد.

قبل از اینکه مردم به طور کامل الکترومغناطیسی را درک کنند، این یک راز بود که به سادگی سیم پیچی به یک سیم پیچ می تواند خواص الکتریکی آن را تغییر دهد. در روزهای اولیه رادیو، علاقه مندان به DIY از یک میله مغناطیسی یا لوله مقوایی به طول تنها چند اینچ استفاده می کردند که با ده ها دور سیم پیچیده می شد تا القاگرهای سیم پیچ تنظیم کنند و رادیوهای ترانزیستوری را مونتاژ کنند.

نماد شماتیک یک سلف بر اساس طراحی ظاهر فیزیکی آن است (شکل 1). انواع سلف ها شامل توخالی، هسته آهنی و متغیر می باشد.

شکل 1: سلف ها (شکل سمت راست) در ابتدا توسط سیم های پیچیده شده در اطراف یک لوله توخالی یا هسته آهنی تشکیل می شدند. نمادهای اصلی مربوطه در شکل (تصویر سمت چپ) نشان داده شده است. (منبع تصویر: Hackatronic.com)

اندوکتانس مشخصه یک هادی است و به دلیل تأثیر میدان مغناطیسی آن، جریان عبوری از هادی اغلب تغییر می کند. بنابراین، سلف ها را گاهی اوقات به عنوان چوک می گویند زیرا می توانند تغییرات جریان را "خفه کنند". رابطه بین اندوکتانس (L) و نرخ تغییر ولتاژ (V) و جریان (I) را می توان با یک معادله ساده بیان کرد: V=L (dI/dt).

اگرچه سلف های سیم پیچی هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، اما امروزه دیگر برای بسیاری از مدارها مناسب نیستند. آنها ممکن است خیلی بزرگ باشند، نتوانند مقادیر مورد نیاز را ارائه دهند، اثرات انگلی نامطلوب را نشان دهند، مقاومت DC بالا (DCR) داشته باشند و در فرکانس های بالاتر تخریب عملکرد را نشان دهند. در مقایسه با علاقه مندان اولیه رادیو DIY، القاگرهای زخمی آماده برای کاربردهای فرکانس رادیویی (RF) با ابعاد کمتر از 1 میلی متر مربع (mm2) اکنون برای خرید در دسترس هستند.

سلف های مدرن برای مبدل های قدرت
اگرچه سلف ها پیشرفت قابل توجهی داشته اند، حتی سلف های سیم پیچ پیشرفته دارای کاستی هایی در عملکرد و اندازه مدارهای مدرن هستند. سلف های قدرت مدرن اجزای دقیقی هستند که به دقت مدل شده اند و پارامترهای اصلی و ثانویه آنها به طور کامل تعریف شده اند و خواص آنها بر اساس اولویت های کاربردی مختلف بهینه شده است.

بعلاوه، تامین کنندگان مواد جدیدی را برای برآوردن نیازهای توپولوژی های مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ، مانند مبدل های سلف اولیه تک پایانی (SEPIC)، مبدل های بریتانیایی (به نام مخترع آنها Slobodan Ć uk)، و پیکربندی های مختلف باک بوست، توسعه داده اند.

اکثر این سلف ها از مواد فریت و پودر پیشرفته استفاده می کنند و ویژگی های آنها به دقت تنظیم شده است. این سلف ها DCR بسیار پایینی دارند (به طور قابل توجهی مقدار القایی Q را بهبود می بخشد - مقدار استاندارد برای اندازه گیری عملکرد اندوکتانس) و اندوکتانس صاف می شوند. دومی به درجه ای اشاره دارد که مقدار واقعی اندوکتانس کاهش می یابد یا به دلیل اشباع هسته مغناطیسی با افزایش جریان DC، مشابه پاسخ فرکانسی فیلتر، کاهش می یابد.

سلف‌های مورد استفاده در منابع تغذیه نیز معمولاً باید دارای قابلیت کنترل جریان نامی نسبتاً بالا، معمولاً در ده‌ها آمپر باشند. این پارامتر با یک مقدار مشخص نمی شود، بلکه با مقادیر متعددی مانند جریان میانگین مربع ریشه (Irms)، جریان پیک (Ipeak) و جریان اشباع (Isat) تعریف می شود. سلف های ارائه شده توسط سازنده دارای ترکیبات جریان نامی متفاوت و سایر مراجع پارامترهای سطح بالا برای برآوردن الزامات اولویت ساختارهای توپولوژی مختلف خواهند بود.

سازنده همچنین مواد پیشرفته و فناوری نصب روی سطح (SMT) را توسعه داده است (شکل 2) که می تواند گرمای مربوطه را بدون به خطر انداختن عملکرد یا قابلیت اطمینان تحمل کند. نوع محافظ به به حداقل رساندن مشکلات تداخل فرکانس رادیویی (RFI) در برنامه های حساس کمک می کند.

شکل 2: سلف های SMT با قدرت بالا اکنون می توانند اندازه های کوچک شگفت انگیز مختلفی را بدون تأثیر بر عملکرد ارائه دهند. (منبع تصویر: ایتون)

سری سلف‌های قالب‌گیری شده HCM/HPAL از بخش الکترونیک Eaton نشان دهنده پیشرفت و تمایز این سلف‌های بهینه شده مبدل است. هر دو سری از مواد سلف پیشرفته استفاده می کنند که با دوام، جریان بالا و EMI کم مشخص می شوند. ساختار قالب‌گیری شده آن‌ها می‌تواند اندوکتانس نرم را در محدوده‌های مختلف جریان نامی فراهم کند.

دستگاه های سری HCM و HPAL در اندازه های مختلفی تولید می شوند، اما حجم آنها نسبتاً کم است.

برای اطمینان از قابلیت اطمینان و استحکام، دمای عملیاتی دستگاه‌های HCM/HPAL 55- تا 125 درجه سانتی‌گراد است (دمای محیط به علاوه افزایش دمای خود)، و آنها حاوی بازدارنده‌های زنگ هستند که به جلوگیری از زنگ‌زدگی سطح به دلیل محیط‌های مرطوب (سطح MSL 1) کمک می‌کنند.

سری HCM از پودر آهن فشرده پیشرفته با عملکرد عالی Isat استفاده می کند که در دو دستگاه نماینده HCM0503V2-R68-R و HCM0503V2-4R7-R قابل مشاهده است. HCM0503V2-R68-R یک سلف بدون محافظ DCR 680 نانوهنری (nH)، 8 میلی اهم (m Ω) با فرکانس کاری حداکثر 1 مگاهرتز (MHz) است. اندازه آن تنها 5.7 × 5.4 × 3.0 میلی متر با جریان نامی 10 آمپر (A) (Irms) / 12 آمپر (Isat) است. HCM0503V2-4R7-R از همان اندازه بسته استفاده می کند، اما برای موقعیت هایی که نیاز به اندوکتانس بالاتری دارند، مناسب است. این دستگاه بدون محافظ 4.7 µH، 47 m Ω با جریان نامی 4.1 A (Irms) / 6 A (Isat) است.

در مقابل، القاگرهای HPAL از پودر آلیاژی برای دستیابی به DCR کمتر و Irms بالاتر و در عین حال حفظ تلفات هسته کمتر استفاده می کنند. محدوده توان این سری از سلف ها از 0.15 μH تا 10 μH و جریان از 4.5 A تا 40 A است. دارای عملکرد محافظ الکترومغناطیسی (EMI) است که در کاربردهای خاص بسیار مهم است. دستگاه‌های نمونه عبارتند از HPAL1V0630-R47-R (یک سلف 470 nH، 4.1 m Ω با درجه‌بندی 18 A (IRms) و 20 A (Isat)) و HPAL1V0630-8R2-R (یک سلف 8.2 µH، 55 m Ω at 5 A.I) و میزان سلف A.rm5. (عیسات)).

نمودار در شکل 3 رابطه roll off بین اندوکتانس اسمی، جریان DC و دمای سلف HPAL1V0630-8R2-R را نشان می دهد.