Электронная аппаратура. Пассивные электромагнитные компоненты и элементы схем. Электромагнитная совместимость. Основы магнитоэлектроники

И. К. Никифоров






                ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА




ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ.
ОСНОВЫ МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКИ



Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.3
ББК 31.2
      Н62

Рецензент:
канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной электроники ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» Г. В. Малинин


       Никифоров, И. К.
Н62 Электронная аппаратура. Пассивные электромагнитные компоненты и элементы схем. Электромагнитная совместимость. Основы магнитоэлектроники : учебное пособие / И. К. Никифоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 476 с. : ил., табл.
         ISBN978-5-9729-1207-0

              Рассматриваются электромагнитные компоненты и элементы - индуктивности, дроссели, трансформаторы напряжения и тока, реакторы и трансреакторы, их принцип работы, основные параметры и характеристики. Даны основные понятия электромагнитной совместимости и способы ее улучшения в электронной аппаратуре. Рассмотрены основы магнитоэлектроники, элементы Холла различных типов, а также компоненты и элементы магнитоэлектроники.
              Для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, занимающихся разработкой силовой электронной аппаратуры и мощных источников вторичного электропитания.


                                               УДК621.3
                                               ББК31.2


ISBN 978-5-9729-1207-0 © Никифоров И. К., 2023

                     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

     УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ                              
вч   Верхних(яя) частот(а)                            
ГМР  Гальваномагниторекомбинационный                  
ивэп Источник(и) вторичного электропитания            
ИМС  Интегральная микросхема                          
ип   Источник помех                                   
ИТ   Импульсный трансформатор                         
КБ   Конденсаторные батареи                           
КГ   Коэффициент гармоник                             
КЗ   Короткое замыкание                               
ККМ  Корректор коэффициента мощности                  
КНИ  Коэффициент нелинейных искажений                 
КНС  (технология) Кремний на сапфире                  
КПД  Коэффициент полезного действия                   
КРМ  Компенсация реактивной мощности                  
МД   Магнитодиод(ы)                                   
МДС  Магнитодвижущая сила                             
МТ   Магнитотранзистор(ы)                             
МЧЭ  Магниточувствительный элемент                    
НТД  Научно-техническая документация                  
НЧ   Нижних(яя) частот(а)                             
НЭМП Непреднамеренная ЭМП                             
ПДХ  Полевые датчики Холла                            
ПКЭ  Показатель качества электрической энергии        
ПМП  Преобразователи магнитного поля                  
пп   Печатная(ые) плата(ы)                            
ПСМ  Платы «стежкового» монтажа                       
РП   Рецептор помех                                   
РЧР  Радиочастотный ресурс                            
РЭА  Радиоэлектронная аппаратура                      
СЭА  Силовая электронная аппаратура                   
ТЗ   Техническое задание                              
ТКД  Температурный коэффициент добротности            
ТКИ  Температурный коэффициент индуктивности          
ТКМП Температурный коэффициент магнитной проницаемости
ТПМ  Тонкопроводной монтаж                            
ТС   Техническое средство                             
ТТ   Трансформатор тока                               
ФВЧ  Фильтр верхних частот                            
ФМП  Ферромагнитная(ые) пленка(и)                     
     3                                                

XX  Холостой ход                   
цмд Цилиндрические магнитные домены
эк  электронный ключ               
эми электромагнитный импульс       
эмо электромагнитная обстановка    
эмп электромагнитная помеха        
эмс электромагнитная совместимость 
эмэ электромагнитная эмиссия       
эрэ электрорадиоэлемент(ы)         
эфп электрофизические параметры    
эх  эффект Холла                   

4

        ПРЕДИСЛОВИЕ


    Данное учебное пособие продолжает серию книг под общим названием «Электронная аппаратура» и является 3-й книгой этой серии. Для связи и цельности подачи материала попутно будут делаться ссылки:
    на 1-ю книгу серии: «Электронная аппаратура. Основные положения электроники. Радио- и электротехнические материалы и изделия»;
    на 2-ю книгу серии: «Электронная аппаратура. Пассивные компоненты схем: резисторы, предохранители, конденсаторы. Термоэлектрические устройства».
    Основной темой 3-й книги являются устройства с точки зрения применения электромагнитных преобразований в соответствующих компонентах и элементах, в основном в силовой электронной аппаратуре (СЭА) и мощных источниках вторичного электропитания (ИВЭП).
    В 1-й главе рассматриваются электромагнитные компоненты и элементы: индуктивности, дроссели и трансформаторы. Учитывая специфику подготовки бакалавров энерго- и электротехнических специальностей, дан материал по измерительным трансфоматорам тока и напряжения, реакторам и трансреакторам, применяемым в основном в устройствах релейной защиты. Кратко дается материал по различным электромагнитным преобразователям.
    Во 2-й главе рассматриваются базовые понятия и определения по электромагнитным помехам и электромагнитной совместимости в СЭА и ИВЭП и сопутствующие им вопросы. Частично дается материал, относящийся к электромагнитной совместимости для сетей электроснабжения.
    В 3-й главе рассматриваются основы, компоненты и элементы магнитоэлектроники, то, что в большинстве вузовских учебников по электронике и микроэлектроников отсутствует.
    В книге предусмотрен необходимый объем теории по каждому рассматриваемому вопросу в сочетании со справочным материалом с ссылками на источники информации. В ряде случаев приведены методики для типовых инженерных расчетов и выбора рассматриваемых электромагнитных пассивных компонентов и элементов СЭА и ИВЭП.

5

        1. ИНДУКТИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

   Магнитные материалы, их праметры и основные характеристики были рассмотрены в 1-й книге серии: «Радиоэлектронная и силовая электронная аппаратура: Основы электроники. Электро- и радиотехнические материалы и изделия» (далее: 1-я кн. серии). В этом разделе рассмотрим изделия на основе магнитных материалов, а именно: катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы, а также герконы, герсиконы и электромагнитные преобразователи. Будем придерживаться терминологии по отношению к компонентам и элементам схем, что дана в предисловии в 1-й кн. серии, т. е. катушки индуктивности (без сердечников) - это пассивные компоненты схем, а дроссели и трансформаторы, герконы и герсиконы - пассивные элементы схем.
   Вопросы, касающиеся испытания магнитных материалов, отражены во множестве стандартов (см., например: ГОСТ22261. Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия; ГОСТ 24936. Магниты постоянные для электротехнических изделий. Общие технические требования) и в данном учебном пособии не рассматриваются.

   1.1. Магнитные цепи

1.1.1. Основные сведения
   Из школьной физики известно, что магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами. Неподвижные заряды не могут создать магнитное поле, и оно действует только на движущиеся электрические заряды. Оно обладает способностью проникать через многие вещества с разной степенью (воздух, стекло, бумагу, медь и т. д.). При удалении вещества от провода с током магнитное поле ослабевает. Для концентрации и получения сильного магнитного поля применяют катушки с обмоткой из проводящего материала [1.4, 1.5, 1.10].
   Магнитное поле, окружающее проводник с током, обладает энергией. Она накапливается при нарастании тока в цепи и не

6

которое время поддерживает ток при отключении цепи от источника электроэнергии. Для наглядности магнитное поле изображается магнитными силовыми линиями, которые задают направление магнитного поля в пространстве. Эти линии не имеют ни начала, ни конца, т. е. являются замкнутыми, в отличие от электрических силовых линий, которые, как правило, начинаются на одном электрическом заряде и кончаются на другом. Катушка с током, имеющая возможность легко вращаться вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости, стремится занять такое положение, чтобы ее северный полюс смотрел на север, а южный - на юг. Это объясняется взаимодействием магнитного поля катушки с магнитным полем Земли.
    Установлено, что магнитное поле Земли связано с электрическими явлениями в атмосфере. На высоте в десятки и сотни километров над поверхностью Земли имеются ионизированные слои воздуха (ионосфера), в которых часть атомов распалась на положительные ионы и электроны под действием жесткого космического и солнечного излучений. По одной из теорий земного магнетизма считается, что вследствие вращения земного шара вокруг своей оси находящиеся в атмосфере электрически заряженные частицы создают ток. Планета как бы окружена одним витком провода с током. Магнитное поле создается этим атмосферным током, причем у Северного географического полюса находится Южный магнитный полюс, а у Южного географического - Северный магнитный. По другой теории основную роль играют токи, возникающие в недрах Земли в результате ее вращения. Скорее всего оба фактора ответственны за наличие магнитного поля у нашей планеты.
    Изменение солнечного излучения, вызванное различными процессами, происходящими на Солнце, оказывает значительное влияние на ионосферу. При этом изменяется и магнитное поле Земли. Иногда наблюдаются очень сильные его изменения, называемые магнитными бурями. Они вызываются резкими изменениями солнечной активности, например появлением солнечных пятен, представляющих собой гигантские взрывы. Компенсация этих изменений становится возможной только при наличии внутренней динамо-машины - вращения жидкого ядра планеты, содержащего в своем составе железо.

7

    Основной характеристикой магнитного поля является индукция В. Магнитная индукция - векторная величина: в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитным силовым линиям. Магнитная индукция В характеризует интенсивность магнитного поля. Если на проводник длиной 1м с током 1 А, расположенный перпендикулярно магнитным линиям в равномерном магнитном поле, действует сила в 1Н, то магнитная индукция такого поля равна 1 тесла (Тл).
    Чем сильнее поле в данном месте пространства, тем гуще расположены магнитные силовые линии и тем больше магнитная индукция. Для характеристики магнитного поля вместо магнитной индукции часто применяют напряжённость магнитного поля Н, которая связана с индукцией уравнением вида
В = Иг РоН ,                 (1.1)

где рr - относительная магнитная проницаемость среды; ро -магнитная постоянная, ро = 4-10⁻⁷ Гн/м. Напряжённость поля H = Iw /1 выражается в амперах на метр (Ам), она получается внутри торроидальной катушки со средней длиной силовой линии l = 1м, если вдоль нее расположено, например, w = 100 витков, а ток I равен 1 мА.

    Магнитное поле, пронизывающее какую-либо площадь S, называют магнитным потоком Ф; основная единица измерения вебер (Вб)
Ф = BS или В = Ф/S.              (1.2)
    Из (1.2) видно, что магнитная индукция В представляет собой плотность магнитного поля.
    Из курса школьной физики также известно, что на проводник с током в магнитном поле, согласно правилу левой руки, действует электромагнитная сила F, которая стремится сместить его в плоскости, перпендикулярной направлению вектора В. Эта сила тем больше, чем больше ток I в проводнике и индукция В и чем длиннее активная (находящаяся в магнитном поле) часть проводника l. Электромагнитная сила F определяется по формуле

8

F = B11 sina,

(1-3)

где a - угол, под которым прямолинейный проводник расположен по отношению к магнитным силовым линиям поля. В результате воздействия таких механических сил при одинаковом направлении тока лежащие рядом проводники будут притягиваться друг к другу, при разном направлении тока - отталкиваться.

    Явление электромагнитной индукции заключается в том, что изменение магнитного поля вокруг проводника, связанное с пересечением проводника магнитными силовыми линиями, вызывает появление ЭДС в этом проводнике. При этом неважно, будет изменяться магнитное поле относительно проводника или проводник будет перемещаться в магнитном поле. Индуцированная ЭДС е прямо пропорциональна индукции В, активной длине проводника l и скорости его перемещения v в направлении, перпендикулярном линиям магнитного поля:
Е = B l v sina,              (1.4а)
где a - угол между направлением скорости перемещения v и поля. При изменении магнитного потока, охватываемого замкнутым контуром, в нем индуцируется ЭДС:
Е= - АФ/А t,                 (1.4 б)
где Аt - промежуток времени, в течение которого поток изменяется на АФ. Можем записать для катушки с числом витков w:
Е = -w АФ/Аt.                (1.4в)
    Знак минус отражает правило Лоренца: индуцируемая ЭДС стремится противодействовать причине, ее вызывающей.
    Рассмотрим элементы магнитной цепи. Магнитной цепью называется совокупность различных ферромагнитных и неферромагнитных частей электротехнических устройств, для создания магнитных полей нужных конфигураций и интенсивности. Магнитное поле может возбуждаться либо постоянным магнитом, либо катушкой с током, расположенной в той или иной части магнитной цепи (магнитопроводе).

9

Рис. 1.1. Торроидальная катушка

    К простейшим магнитным цепям относится торроид из ферромагнитного материала (рис. 1.1). Такие магнитопроводы применяются в многообмоточных трансформаторах, магнитных усилителях, в элементах памяти ЭВМ и других электротехнических устройствах. Магнитные цепи разделяются на неразветвлённые (в которых магнитный поток Т в любом сечении цепи одинаков) и разветвленные (в


которых магнитные потоки в разных сечениях цепи различны: электрические двигатели, генераторы). В большинстве случаев магнитную цепь следует считать нелинейной, и лишь для определенных режимов, при определенных допущениях, она считается линейной.


1.1.2. Основные законы магнитной цепи
    Закон полного тока для магнитной цепи. Этот закон получен на основании многочисленных опытов и выражается формулой
fHdI = ZI.                    (1.5)
    Закон устанавливает, что интеграл от напряженности магнитного поля по любому замкнутому контуру равен алгебраической сумме токов, сцепленных с этим контуром. Положительными считаются те токи, напряжение которых соответствует обходу контура по часовой стрелке. Величина £ I называется магнитодвижущей силой (МДС). Единица МДС в СИ - ампер (А).
    Если магнитное поле возбуждается катушкой с током I, у которой w витков, то для контура магнитной цепи, сцепленного с витками и состоящего из n участков, можно записать:
                          n
ZHₖIₖ = Iw,                   (1.6а)
                          k =1
если контур сцеплен с витками m катушек с токами, то
m        m        m
                    ZHkIk = ZIpWp = zFp,                (1.66)
k =1     p =1     p=1

10