Esistono tre tipi di componenti passivi nei circuiti elettronici: resistori, condensatori e induttori, tra i quali gli induttori possono essere in linea di principio i più peculiari. Il fenomeno dell'induttanza fu scoperto da Michael Faraday e Joseph Henry nel 1830: Faraday scoprì che un campo magnetico variabile può indurre corrente; Henry ha studiato in modo indipendente il fenomeno dell '"autoinduzione", che si riferisce all'induzione di corrente in un conduttore al suo interno.
Prima che le persone comprendessero appieno l’elettromagnetismo, era un mistero che il semplice avvolgimento di un filo in una bobina potesse modificarne le proprietà elettriche. Agli albori della radio, gli appassionati del fai-da-te usavano un'asta magnetica o un tubo di cartone lungo solo pochi centimetri, avvolto con dozzine di giri di filo per realizzare induttori della bobina di sintonia, per assemblare le radio a transistor.
Il simbolo schematico di un induttore si basa sul suo aspetto fisico (Figura 1). I tipi di induttori includono cavo, nucleo di ferro e variabile.
Figura 1: Gli induttori (figura a destra) erano inizialmente formati da fili avvolti attorno a un tubo cavo o un nucleo di ferro; I simboli principali corrispondenti sono mostrati nella figura (immagine a sinistra). (Fonte immagine: Hackatronic.com)
L'induttanza è una caratteristica di un conduttore e, a causa dell'effetto del suo campo magnetico, la corrente che passa attraverso il conduttore cambia spesso. Pertanto, gli induttori vengono talvolta definiti induttori perché possono "soffocare" i cambiamenti di corrente. La relazione tra l'induttanza (L) e la velocità di variazione della tensione (V) e della corrente (I) può essere espressa con una semplice equazione: V=L (dI/dt).
Sebbene gli induttori a bobina avvolta siano ancora ampiamente utilizzati, oggi non sono più adatti a molti circuiti. Potrebbero essere troppo grandi, non essere in grado di fornire i valori richiesti, presentare effetti parassiti indesiderati, avere un'elevata resistenza CC (DCR) e mostrare un degrado delle prestazioni a frequenze più elevate. Rispetto ai primi appassionati di radio fai da te, ora sono disponibili per l'acquisto induttori avvolti già pronti per applicazioni a radiofrequenza (RF) con dimensioni inferiori a 1 millimetro quadrato (mm2).
Induttori moderni per convertitori di potenza
Sebbene gli induttori abbiano compiuto progressi significativi, anche gli induttori a bobina migliorati presentano carenze in termini di prestazioni e dimensioni per i circuiti moderni. I moderni induttori di potenza sono componenti di precisione che sono stati modellati attentamente, con i parametri principali e secondari completamente definiti e le loro proprietà ottimizzate in base alle diverse priorità applicative.
Inoltre, i fornitori hanno sviluppato nuovi materiali per soddisfare le esigenze di diverse topologie di alimentatori a commutazione, come convertitori con induttore primario a terminazione singola (SEPIC), convertitori Ć uk (dal nome del loro inventore Slobodan Ć uk) e varie configurazioni buck boost.
La maggior parte di questi induttori utilizza ferrite e materiali in polvere avanzati e le loro caratteristiche sono state attentamente ottimizzate. Questi induttori hanno un DCR estremamente basso (migliorando significativamente il valore Q dell'induttanza - il valore standard per misurare le prestazioni dell'induttanza) e un'attenuazione uniforme dell'induttanza. Quest'ultimo si riferisce al grado in cui il valore effettivo dell'induttanza diminuisce o "si attenua" a causa della saturazione del nucleo magnetico all'aumentare della corrente CC, in modo simile all'attenuazione della risposta in frequenza di un filtro.
Gli induttori utilizzati negli alimentatori in genere devono anche avere capacità di gestione della corrente nominale relativamente elevate, generalmente nell'ordine delle decine di ampere. Questo parametro non è definito da un singolo valore, ma da più valori come la corrente media quadratica (Irms), la corrente di picco (Ipeak) e la corrente di saturazione (Isat). Gli induttori forniti dal produttore avranno diverse combinazioni di corrente nominale e altri riferimenti di parametri di livello superiore per soddisfare i requisiti prioritari di varie strutture topologiche.
Il produttore ha inoltre sviluppato materiali avanzati e tecnologia di montaggio superficiale (SMT) (Figura 2) in grado di resistere al calore associato senza compromettere le prestazioni o l'affidabilità. Il tipo di schermatura aiuta a ridurre al minimo i problemi di interferenza in radiofrequenza (RFI) nelle applicazioni sensibili.
Figura 2: Gli induttori SMT ad alta potenza ora possono fornire varie dimensioni sorprendentemente piccole senza influire sulle prestazioni. (Fonte immagine: Eaton)
La serie di induttori stampati HCM/HPAL della Eaton Electronics Division riflette il progresso e la differenziazione di questi induttori ottimizzati per convertitori. Entrambe le serie utilizzano materiali per induttori avanzati, caratterizzati da durata, corrente elevata e bassa EMI. La loro struttura stampata può fornire un attenuazione morbida dell'induttanza in vari intervalli di corrente nominale.
I dispositivi delle serie HCM e HPAL sono disponibili in varie dimensioni, ma i loro volumi sono relativamente piccoli.
Per garantire affidabilità e robustezza, la temperatura operativa nominale dei dispositivi HCM/HPAL è compresa tra -55 e 125 °C (temperatura ambiente più aumento automatico della temperatura) e contengono inibitori della ruggine che aiutano a prevenire la ruggine superficiale dovuta ad ambienti umidi (livello MSL 1).
La serie HCM utilizza polvere di ferro pressata avanzata con eccellenti prestazioni Isat, che possono essere viste in due dispositivi rappresentativi, HCM0503V2-R68-R e HCM0503V2-4R7-R. HCM0503V2-R68-R è un induttore DCR non schermato da 680 nanohenry (nH), 8 milliohm (m Ω) con una frequenza operativa fino a 1 megahertz (MHz). Le sue dimensioni sono di soli 5,7 × 5,4 × 3,0 mm, con una corrente nominale di 10 ampere (A) (Irms)/12 ampere (Isat). HCM0503V2-4R7-R utilizza la stessa dimensione del contenitore, ma è adatto a situazioni che richiedono un'induttanza maggiore. È un dispositivo non schermato da 4,7 µ H, 47 m Ω con una corrente nominale di 4,1 A (Irms)/6 A (Isat).
Al contrario, gli induttori HPAL utilizzano polvere di lega per ottenere un DCR inferiore e un Irms più elevato mantenendo minori perdite nel nucleo. L'intervallo di potenza di questa serie di induttori va da 0,15 μ H a 10 μ H e la corrente va da 4,5 A a 40 A. Ha una funzione di schermatura elettromagnetica (EMI), che è fondamentale in alcune applicazioni. I dispositivi di esempio includono HPAL1V0630-R47-R (un induttore da 470 nH, 4,1 m Ω valutato a 18 A (Irms) e 20 A (Isat)) e HPAL1V0630-8R2-R (un induttore da 8,2 µ H, 55 m Ω valutato a 5 A (Irms) e 5,5 A (Isat)).
Il grafico nella Figura 3 mostra la relazione di attenuazione tra l'induttanza nominale, la corrente CC e la temperatura dell'induttore HPAL1V0630-8R2-R.