Využití nanokrystalických jader

Při rozebírání starých síťových EMC filtrů často nacházím proudově kompenzované tlumivky vinuté na toroidním nanokrystalickém jádře. Zajímalo mě, co je na těchto jádrech výjimečné a zda je možné tato jádra využít jinak.

Jádro nanokrystalické tlumivky je vyrobeno ze spirálově vinutého velmi tenkého pásku (asi 20 µm) magneticky měkké slitiny železa. Jeho plastové pouzdro zajišťuje ochranu křehkého jádra, elektrickou a mechanickou izolaci mezi jádrem a vinutím. Feromagnetický pásek se vyrábí odléváním roztavené slitiny a následným velmi rychlým ochlazením. Právě velmi rychlé ochlazení zajistí, že slitina v pevném skupenství nestačí vytvořit pravidelnou krystalickou strukturu, ale vznikne tuhá látka strukturou odpovídající kapalnému stavu (amorfní fáze). Řízeným procesem žíhání se pak doladí výsledné vlastnosti a vznikne feromagneticky velmi měkký materiál s jemnou nanokrystalickou mikrostrukturou, který má mnoho jedinečných vlastností.

Mezi hlavní přednost nanokrystalických jader patří velmi vysoká hodnota permeability v širokém frekvenčním pásmu, která umožňuje zásadně snížit počet závitů cívky. Snížení počtu závitů zase umožní snížit vlastní kapacitu cívky a tím zvýšit její vlastní rezonanční frekvenci. Taková cívka vykazuje vyšší hodnotu impedance v širokém frekvenčním pásmu. Někteří výrobci tvrdí, že dvoustupňový EMC filtr typu dolní propust s tlumivkami z feritových jader lze nahradit jednostupňovým dobře navrženým filtrem s tlumivkou z nanokrystalického jádra.

Pokud porovnáme frekvenční závislost komplexní permeability běžného feritového a nanokrystalického jádra, najdeme mnoho rozdílů. Permeabilita nanokrystalického jádra je v porovnání s feritovým jádrem mnohonásobně vyšší až do frekvence několika jednotek kHz. Permeabilita se zvyšující frekvencí dále klesá, přesto si nanokrystalické jádro zachová vyšší permeabilitu v celém rozsahu krátkých vln (KV). Naproti tomu feritová jádra drží konstantní hodnotu permeability až do frekvence několika stovek kHz při zachování dominantní indukční složky impedance cívky s vysokou hodnotou jakosti. Nanokrystalická jádra se však nehodí do rezonančních obvodů, kde chceme dosáhnout vysoké hodnoty jakosti obvodu. Přesto relativně nízké ztráty nanokrystalických jader nebrání jejich použití jako vysokofrekvenčních transformátorů.

Další zajímavou vlastností nanokrystalických jader je velmi dobrá teplotní stabilita, vysoká Curieova teplota (asi 570 °C), větší saturační magnetická indukce a nižší koercitivní síla vůči feritovým jádrům. Podle výrobců se tato jádra hodí pro výrobu EMC filtrů, audio transformátorů, vysokofrekvenčních transformátorů, měřících proudových transformátorů, tlumivek, jader pro potlačení ložiskových proudů motorů řízených frekvenčními měniči, atd.

V šuplíku jsem našel několik různých jader přibližně stejné velikosti. Z vybraných jader jsem pomocí 8 závitů dvojlinky 2x 0,5 mm² (bifilární vinutí) vyrobil přibližně stejně velké širokopásmové transformátory a provedl srovnávací měření vstupní impedance transformátorů (viz obráky výše) v zapojení násobiče impedance 4:1 při výstupní čistě reálné impedanci tvořené rezistorem 220 Ω (viz obrázek níže).

Naměřené závislosti potvrzují osvědčené pravidlo minimálního čtyřnásobku hodnoty reaktance cívky (vzhledem k nejmenší připojené impedanci) pro zajištění správné funkce širokopásmového transformátoru. Takto vyrobený transformátor s feritovým jádrem FT114-43 je použitelný od frekvence 1 MHz, transformátor s železo prachovým jádrem T106-26 od frekvence 6 MHz, ale z hlediska ztrát v jádře není pro pásmo KV vhodný, transformátor s železo prachovým jádrem T130-2 z hlediska ztrát v jádře vyhovuje, ale jeho vinutí má malou reaktanci (počet závitů). Naproti tomu transformátor s nanokrystalickým jádrem KMN251610 se stejným počtem závitů pokryje celý rozsah KV.

Pro zajímavost jsem ještě vyzkoušel všechny transformátory s převodem 1:1 zapojit mezi výstup vysílače 50 Ω a umělou zátěž 50 Ω (viz obrázek výše). Pro měření jsem zvolil výstupní výkon 50 W. V případě nanokrystalickho jádra jsem v pásmu 160 – 30 m naměřil PSV = 1, na vyšších frekvencích PSV mírně stouplo až na hodnotu 1,5 v pásmu 10 m. Žádné oteplení transformátoru jsem nepozoroval. Velmi podobně se choval transformátor s feritovým jádrem FT114-43, pouze v pásmu 160 m mírně stouplo PSV na hodnotu 1,2. Ostatní transformátory byly pro širokopásmový provoz na KV nepoužitelné. Transformátor s železo prachových jádrem T106-26 se díky ztrátám v jádře hřál, i když vykazoval přijatelné hodnoty PSV < 3, transformátor s železo prachovým jádrem T130-2 se nehřál, ale v pásmu 160 – 30 m vykazoval nepřijatelné hodnoty PSV > 3. Naměřené hodnoty PSV jsou vzhledem k přesnosti měření pouze orientační.

Berte prosím tento článek jen jako námět k experimentování. Není v mých silách provést všechna porovnávací měření na vzorcích všech výrobců. K použitému čínskému nanokrystalickému jádru KMN251610 výrobce King Magnetics jsem se dostal jen náhodně. Jádra podobných parametrů nabízí mnoho dalších výrobců, například německý výrobce VACUUMSCHMELZE typ L2030-W380.