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Conheça os núcleos magnéticos (ART703)

Núcleos de materiais ferrosos ocupam posição de destaque dentre os elementos que são usados na fabricação de diversos tipos de componentes eletrônicos. Dentre eles destacamos os indutores, transformadores, reatores, etc. Os materiais que apresentam propriedades magnéticas apropriadas a elaboração desses dispositivos podem ser os mais diversos e além disso usados de diversas formas sozinhos ou associados. Neste artigo vamos abordar um pouco os usos desses materiais. Com o aumento da preocupação com a EMI, na revisão de 2012, é preciso acrescentar as aplicações que envolvem o uso de flitros. Diversos artigos no site do autor pode ajudar a entender melhor como estes componentes são aplicados.

Os materiais magnéticos são usados basicamente com a finalidade de concentrar as linhas de força do campo magnético criado por uma bobina ou por condutores por onde circulam correntes elétricas, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

De acordo com a natureza da corrente, temos a indicação de diversos tipos de núcleos. Assim, as aplicações práticas para os núcleos magnéticos são separadas nas seguintes categorias de componentes:

 

Transformadores de Potência

A finalidade básica de um transformador de potência é converter energia disponível na forma de uma corrente alternada em uma ou mais tensões diferentes, isolando o circuito fornecedor do circuito alimentado, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

Podemos dividir os transformadores de potência em duas categorias. Os que operam com baixa freqüência, normalmente abaixo de 1 kHz e os que operam com alta freqüência, acima de 1 kHz.

Variações desses tipos são os transformadores de banda larga, transformadores casadores de impedância e transformadores de pulsos.

 

Transformadores de RF

Os transformadores de radio freqüência ou RF normalmente operam com baixos níveis de energia em freqüências acima de 500 kHz.

Suas aplicações mais comuns são no acoplamento de sinais entre etapas de um amplificador, desacoplamento a componente DC do circuito, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Nesta categoria podemos incluir alguns transformadores de uso específico como os baluns (balanced-unbalanced).

 

Transformadores de Precisão

São transformadores usados como sensores e em instrumentação.

Um tipo comum é o transformador de corrente (Current Transformer ou CT) que é usado em aplicações industriais para a conversão de energia.

Outro tipo é o Flux Gate Magnetometer (Magnetômetro de Fluxo de Comporta)n que é usado para detectar campos magnéticos muito fracos ou ainda variações muito pequenas do campo magnético. Uma aplicação deste tipo de componente é na detonação de minas pela aproximação de estruturas (navios) que alterem o campo magnético da terra no local, pela sua presença, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

Reatores Saturáveis

São componentes usados no controle de tensão e corrente em circuitos de alta potência.

Fornos industriais, reguladores de tensão de alta potência são alguns dos equipamentos que usam esses reatores.

Uma variação desse dispositivo é o amplificador magnético ou MAG AMP que opera segundo o mesmo conceito de se controlar uma corrente através da saturação do núcleo. Fontes chaveadas fazem uso desses componentes.

 

Indutores Puros

São componentes de uso geral cuja finalidade é apresentar uma indutância num circuito elétrico ou eletrônico. Dentre as aplicações desses dispositivos podemos citar os filtros, circuitos sintonizados, etc.

Os filtros contra EMI também devem ser citados como aplicações importantes para esses componentes.

 

Indutores para Armazenamento de Energia

A finalidade desses indutores é fornecer a energia armazenada no seu campo magnético quando a tensão no circuito é comutada.

A aplicação mais comum é em fontes chaveadas, conforme mostra o circuito da figura 5, em que ele opera em conjunto com um capacitor de filtro.

 

Figura 5
Figura 5

 

Quando a corrente que circula pelo indutor cessa pela comutação do transistor, que passa ao estado "off", as linhas de força do campo magnético do indutor se contraem induzindo uma tensão inversa.

Essa tensão continua alimentar o circuito, ajudando assim a obter uma tensão contínua de saída constante.

 

Transformadores Flyback

Trata-se de um tipo especial de transformador que armazena energia e ao mesmo tempo a transfere.

Normalmente é usado em conversão de potência de baixo custo, como fontes chaveadas, fontes de altas tensões de monitores de vídeo e televisores.

 

Materiais

Para cada tipo de aplicação deve ser usado o material apropriado. Existe uma grande variedade de tipos, cujas composições vão determinar as suas características magnéticas. Apesar de haver uma padronização quanto a designação, muitos fabricantes podem adotar nomes próprios para designar seus materiais. Os principais tipos são:

 

Ferrite Macia

Esse tipo de material é obtido de óxido de ferro obtido da própria terra. Metais como o níquel, zinco e manganês são adicionados ao ferro para obter esse tipo de núcleo.

O material é então prensado e cozido de modo a se obter uma estrutura cristalina que dota a ferrite assim obtida das propriedades magnéticas que a caracterizam.

 

Manganês-Zinco

Trata-se de um tipo de ferrite macia de grande permeabilidade e baixas perdas por correntes de turbilhão. Esse material pode operar com freqüências que vão de 1 kHz a 1 GHz e até mesmo mais.

As densidades de fluxo de saturação são baixas ficando na faixa de 2 500 a 4 000 Gauss. Devido às suas baixas perdas em freqüências elevadas, esses ferrites são usadas amplamente em transformadores de fontes chaveadas, indutores de filtros, amplificadores magnéticos e transformadores de corrente.

 

Núcleos Laminados

São as conhecidas chapas de transformadores nos formatos EE, UI, EI, conforme mostra a figura 6.

 

Figura 6
Figura 6

 

Normalmente são fabricadas de ferro-silício, do tipo sem orientação ou com alto grau de orientação. Outros materiais usados são o ferro-níquel e o ferro-cobalto.

Dada a sua forma de fabricação, os custos são altos. Elas devem ser fabricadas uma a uma e empilhadas de modo a formar o núcleo. Este tipo de núcleo é o mais usado em aplicações que envolvem a corrente alternada de 60 Hz.

 

Ferro em Pó

Esses núcleos são fabricados com aproximadamente 99% de ferro puro na forma de partículas extremamente pequenas. Esse material é misturado com uma substância isolante e depois prensado resultando assim em materiais com propriedades magnéticas importantes.

Normalmente são usados agentes colantes após a prensagem. Essa prensagem deve ser cuidadosamente dosada pois deseja-se apenas que as partículas fiquem próximas mas não haja contacto elétrico entre elas.

Na figura 7 mostramos a seqüência típica de fabricação de núcleos deste tipo.

 

Figura 7
Figura 7

 

A permeabilidade obtida para os núcleos deste tipo é da ordem de 90. Podemos dividir os núcleos fabricados com este material entre três categorias quanto a permeabilidade:

a) alta permeabilidade (60 - 90) que são usados em filtros de armazenamento de energia e contra EMI, com freqüências de operação até uns 75 kHz.

b) média permeabilidade (20 - 50) que são usados em transformadores de RF, indutores puros, indutores de armazenamento de energia em freqüência nas faixa de 50 kHz a 2 MHz. Fontes chaveadas de 250 kHz a 1 MHz se beneficiam bastante do uso de indutores com este tipo de material como núcleo.

c) baixa permeabilidade (7 - 20) que são usados em circuitos de RF na faixa de 2 MHz a 500 MHz. Alguns componentes com este tipo de núcleo podem operar em freqüências até 1 GHz.

 

Existem ainda outros tipos de materiais usados na fabricação de núcleos e que se classificam no grupo dos "ferrites".

Podemos citar o MPP que é feito prensando-se 81% de níquel, 2% de molibdênio e 17% de ferro. Esse material pode ter permeabilidades entre 14 e 350 servindo para a fabricação de núcleos toroidais.

Como esse material pode ser fabricado com permeabilidade dentro de certos valores bem definidos eles ideais para a manufatura de indutores puros. A maior faixa de uso, entretanto, está nos materiais cujas permeabilidades estão entre 60 e 170.

Um outro material usado na indústria de núcleo é o formado por uma liga contendo 50% de níquel e 50% de ferro. Esse material é denominado "Hi-Flux" e pode ter permeabilidades de 14 a 160.

Como os componentes feitos com esses núcleos podem suportar altos fluxos (até 6500 Gauss) eles são ideais para aplicações que envolvem o armazenamento de energia.

O super MSS é um material com permeabilidades entre 25 e 125 sendo feitos com ferro, silício e alumínio. Esse tipo de material é popular na fabricação de indutores para filtros EMI.

 

Núcleos Toroidais em Fita

Esse tipo de núcleo, cujo processo de fabricação é mostrado na figura 8, pode ter as mais diversas composições como o Deltamax (50% Ni/ 50% Fe); 4750 (47% Ni/ 53% Fe); Mo-Permalloy 4-79 (80% Ni/ 4% Mo / 16% Fe); Supermalloy (80% Ni/ 4% Mo/ 16% Fe) e muitas outras.

 

Figura 8
Figura 8

 

Conforme o nome sugere os núcleos são fabricados a partir de uma fita do material que é enrolada de modo a formar os tiróides.

A aplicação vai depender da natureza dos materiais usados na fabricação e pode variar bastante já que temos saturações numa ampla faixa de valores assim como a permeabilidade.

 

Como Calcular Indutores Toroidais

As permeabilidade dos ferrites usados em núcleos de componentes como toróides pode variar entre 20 e mais de 15 000. Da mesma forma, os núcleos podem ter dimensões (diâmetros) que variam entre 3 mm e mais de 6 cm.

Para calcular o número de espiras de um indutor toroidal temos as fórmulas mostradas a seguir:

 

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N° do componente 

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