Nuclei in ferroxube.

Bibliografia: PHILIPS Miniwatt - Sez. ELCOMA - Edizione 1968

Generalità

Ferroxcube è il nome dato ad un gruppo di materiali ferromagnetici non metallici.

E' ottenuto con un processo simile a quello impiegato per la produzione dei materiali ceramici, ed ha quindi le stesse caratteristiche meccaniche di questi ultimi. La sua composizione dà origine a strutture cristalline cubiche, la cui formula generale può rappresentarsi con i simboli Mfe2O4 dove M indica un metallo bivalente, quale potrebbe essere ad esempio Cu, Mg, Mn, Ni, Fe o Zn. Il Ferroxcube risulta quindi composto da ossidi di ferro e di altri metalli.

Dal punto di vista elettromagnetico questo materiale possiede permeabilità iniziale (mi) elevata, bassa coercitività (Hc) ed elevata resistività (r ).

Grazie a quest'ultima caratteristica, le perdite dovute alle correnti parassite indotte (correnti di Foucault) sono molto basse e quindi non c'è alcun bisogno né di laminarlo né di ridurlo in polvere (nuclei in poliferro).

Il ferroxcube a differenza dei nuclei in poliferro è un materiale magnetico omogeneo e pertanto non contiene nella sua struttura interna nessun traferro.

In alcuni casi però può essere vantaggioso introdurre di proposito nel circuito magnetico un traferro; per esempio, per ridurre l'influenza delle variazioni della temperatura, per ridurre la distorsione armonica ed infine in tutti quei casi in cui il nucleo è sottoposto ad una polarizzazione in c.c. a cui si sovrappone un'induzione variabile prodotta da un segnale alternato. Si impiegano nuclei di ferroxcube con traferro quando si vuole ottenere il massimo fattore di merito (Q) da una bobina entro un determinato campo di frequenza.

Anche le perdite elettriche e magnetiche possono essere compensate mediante l'introduzione di un appropriato traferro; ciò non può essere ottenuto in alcun modo con i nuclei in poliferro dato che nel loro interno esiste sempre un certo valore fisso di traferro.

GRADAZIONI E TIPI DI FERROXCUBE PER IMPIEGHI IN RADIO E IN TELEVISIONE

Per impieghi in radio e in televisione, il ferroxcube viene prodotto in due gradazioni entrambi appartenenti alla famiglia delle ferriti con struttura cristallina cubica. Esse sono:

1) Il ferroxcube di gradazione 3, ferrite allo zinco-manganese.
2) Il ferroxcube di gradazione 4, ferríte allo zinco-nichel.

In questi ultimi tempi è stato introdotto un nuovo materiale magnetico, il ferroxplana, una ferrite a struttura cristallina esagonale con due differenti tipi di gradazione, il Ferroxplana 1Z2 e 1Z3. Il ferroxcube con gradazione 4 presenta bassi valori di permeabilità e di densità di flusso, in compenso possiede valori elevati di coercìtività e della temperatura di Curie. L'elevata resistività lo rende particolarmente adatto agli impieghi in alta frequenza. La caratteristica dei ferroxplana è quella di avere un piano preferito di orientamento della magnetizzazione.
Esistono anche altre gradazioni di ferroxcube e cioè:

3) Il ferroxcube 5, per impieghi nel campo delle microonde.
4) li ferroxcube 6, per impieghi nelle memorie magnetiche.
5) li ferroxcube 7, per impieghi nel campo ultrasuoni.

Queste ultime gradazioni sono destinate agli impieghi nel campo professionale e industriale.

PROPRIETÀ FISICHE DEL FERROXCUBE

Peso specifico 3,5-5 g/cm³
Calore specifico circa 0,17 cal/g/°C
Conduttività termica circa 8x10-3 cal/cm sec/°C
Coefficiente di dilatazione lineare circa 10-5 per °C
Modulo di elasticità circa 15.000 kg/mm²
Forza tensile circa 1,8 kg/mm²
Tensione di rottura circa 7,3 kg/mm²

I nuclei in Ferroxcube vengono ottenuti sia per stampaggio che per estrusione. Dopo lo stampaggio essi subiscono un processo di sinterizzazione ad elevata temperatura che conferisce loro proprietà meccaniche simili a quelle delle porcellane (eccezionale durezza e bassa porosità).

In seguito alla cottura, il materiale può subire dei ritiri e di conseguenza le esatte dimensioni vengono ottenute mediante mole di rettifica. Per il passaggio dei flusso magnetico utile bisogna utilizzare le superfici rettificate le quali possono essere facilmente incollate mediante cementi polimerizzanti, tipo araldite, ottenendosi con questa operazione traferri di appena qualche micron. Il Ferroxcube non viene danneggiato dall'acqua (neppure da quella del mare), ma tuttavia quando viene impiegato in circuiti a Q elevato è opportuno procedere all'impregnazione onde evitare perdite elettriche dovute all'assorbimento dell'umidità.

PROPRIETÀ ELETTROMAGNETICHE

Nella tabella 1 sono indicate le principali caratteristiche di alcune gradazioni di Ferroxcube. Salvo indicazioni contrarie questi valori sono stati ricavati su anelli di Ferroxcube di 36f x 28f x10 mm e valgono solo per nuclei in Ferroxcube ottenuti per stampaggio; per quelli prodotti per estrusione sì possono avere lievi differenze.

Permeabilità iniziale

Per permeabilità iniziale µi si intende il rapporto tra la variazione di induzione magnetica (D B) e la variazione (D H) della forza magnetizzante prodotta da un campo alternato H di debole intensità in un anello di Ferroxcube chiuso, previamente smagnetizzato.

La fig. 1 mostra l'andamento della permeabilità iniziale in funzione della temperatura per varie gradazioni di Ferroxcube; inizialmente m i cresce con la temperatura, indi subisce una diminuzione repentina sino a raggiungere il valore di 1; ciò significa che in un ristretto campo di temperatura (temperatura di Curie), le proprietà ferromagnetiche dei materiale possono annullarsi completamente per riapparire dopo che il materiale si è raffreddato.

La permeabilità iniziale si mantiene costante in una vasta gamma di frequenza e diminuisce solo a frequenze notevolmente elevate.


Fìg. 1 - Andamento della permeabilità iniziale in funzione della temperatura per alcune gradazioni di ferroxcube.

Punto di Curie

Per punto di Curie s'intende la temperatura alla quale il valore della permeabilità iniziale diventa uguale a quello che tale permeabilità aveva a 20 °C. In generale il punto di Curie del Ferroxcube è tanto più basso quanto più alta è la permeabilità iniziale ed inversamente.

Coefficiente di temperatura della permeabilità

Le curve della fig. 1 indicano che il coefficiente di temperatura della permeabilità iniziale mi alle normali temperature di impiego è positivo. Il coefficiente di temperatura della permeabilità

(D mi / mi) da solo non offre alcun interesse specifico poiché il valore della permeabilità di un circuito in cui sia presente un traferro va riportato ad un valore efficace mi' e, conseguentemente anche il coefficiente di temperatura viene ridotto nella stessa misura a

Per questa ragione nella tabella 1 il valore dei coefficiente di temperatura (D mi' / mi2) viene dato come valore medio tra 20 °C e 50 °C. li coefficiente di temperatura della permeabilità di un determinato circuito si ottiene perciò moltiplicando il coefficiente di temperatura per la permeabilità effettiva di questo circuito.

Curve dì magnetizzazione

La fig. 2 rappresenta la curva di magnetizzazione, detta anche curva vergine o curva B-H statica dei Ferroxcube 3A, ottenuta portando sulle ordinate i valori d’induzione 9 (di un anello chiuso e previamente smagnetizzato) rilevati con un galvanometro balistico in funzione di un campo crescente H. Nella fig. 3 sono indicate le curve di magnetizzazione di alcune gradazioni di Ferroxcube per differenti valori di frequenza. Esse mostrano la relazione tra l'ampiezza Hmax,di un campo sinusoidale di una data frequenza ed il massimo valore Bmax. dell'induzione corrispondente. Da queste si ricava che la magnetizzazione varia moltissimo con la frequenza.

A 600 kHz la relazione tra praticamente lineare, mentre per frequenze più elevate, la B e H è pendenza della curva B-H diminuisce.


Fig. 2 - Curva tipica di magnetizzazione del ferroxcube con gradazione 3A.

Saturazione

Il valore dell’Induzione B di un circuito magnetico chiuso in funzione di un dato campo magnetizzante H è dato dalla classica formula B = H + 4 p J.

Il termine 4 p J dipende dal materiale magnetico. Quando quest'ultimo ha raggiunto il valore massimo di magnetizzazione, 4 p J diventa costante (4 p J) ed in queste condizioni i successivi valori di induzione B dipendono soltanto dal valore di H. Si chiama induzione di saturazione B, il valore di B corrispondente alla magnetizzazione massima 4 p J. Per il Ferroxcube il valore di saturazione di 4 p J, è notevolmente inferiore a quello dei metalli ferromagnetici e viene raggiunto soltanto in corrispondenza di elevati valori di H; ciò spiega anche perché non si possa stabilire con esattezza il valore dell'induzione di saturazione. La magnetizzazione di saturazione 4 p J varia con la temperatura e nelle figure i valori di B sono dati per valori di temperatura di 22 °C e 70 °C. Il valore reale dell'induzione di saturazione può essere determinato mediante la formula:
B = H + 4 p s x peso specifico (dove s è la massima magnetizzazione per grammo).


Fig. 3 - Curve di magnetizzazione di alcune gradazioni di ferroxcub per differenti valori di frequenza.

Ciclo di Isteresi

La fig. 4 indica per varie gradazioni di Ferroxcube due semicicli di isteresi, rilevati mediante galvanometro balistico a 22 °C e 70 °C, ottenuti riducendo progressivamente l'intensità del campo magnetizzante sino al punto di saturazione in senso inverso.

Essi consentono di conoscere il valore sia della rimanenza che della coercitività di ciascuna delle gradazioni di Ferroxcube indicate.

Permeabilità incrementale

Per permeabilità incrementale (o reversibile) s'intende il rapporto tra la variazione di induzione e la variazione di campo quando quest'ultimo ha andamento alternativo e viene sovrapposto ad un altro con intensità costante Ho (campo polarizzante). Essa viene espressa dalla relazione:


Fig. 4 - Semicicli di isteresi dì alcune gradazioni di terroxcube rilevati alla temperatura dì 22°C e 70 °C.


Fig, 5 - Andamento della permeabilità incrementale di alcune gradazioni di ferroxcube a differenti valori di temperatura.

La fig. 5 indica la variazione della permeabilità incrementale Il. m D funzione dei campo magnetico polarizzante Ho crescente.

Il coefficiente di temperatura diminuisce all'aumentare del campo polarizzante Ho sino a diventare addirittura nullo o negativo.

Questa caratteristica viene sfruttata per compensare, mediante opportune variazioni dei campo magnetizzante, le variazioni del coefficiente di temperatura.

Permeabilità di ampiezza

Nel caso di magnetizzazione di un anello chiuso mediante un campo sinusoidale di notevole intensità Hmax, viene definita permeabilità d'ampiezza il rapporto tra il valore Bmax, ed il corrispondente valore massimo Hmax

La fig. 3 mostra che l'andamento della permeabilità m amp è funzione anche della frequenza.

Le curve di magnetizzazione consentono di calcolare m amp, per differenti valori di Hmax.

Stabilità

Da misure effettuate durante ripetuti periodi di tempo su alcuni nuclei in Ferroxcube 3B si è potuto ricavare che soltanto per i primi mesi si ha una diminuzione della permeabilità di circa il 3%. In un circuito dove, per esempio, il rapporto1/30, l'induttanza può ridursi soltanto dello 0,10%.
Il Ferroxcube inoltre è poco sensibile agli effetti di sovraccarico causati da impulsi magnetici intensi.
Si è visto, per esempio, che nel punto di rimanenza il valore della permeabilità incrementale mD di anelli dì Ferroxcube 3 chiusi era inferiore di meno del 4% alla permeabilità iniziale mi


Fig. 6 - Variazioni del fattore di perdita tg dmi in funzione della frequenza per alcune gradazioni di ferroxcube.

Fattore di perdita

Di per se stesso il fattore di perdita tg d dei Ferroxcube non offre alcun interesse poiché in un circuito magnetico con traferro esso si riduce ad un valore efficace dato da tg d x mi' / mi.

Le curve della fig. 6 danno quindi per alcuni tipi di Ferroxcube il valore di tg d / m i in funzione della frequenza (con un valore di induzione tanto basso che l'angolo di perdita praticamente non varia coi variare dell'ampiezza).

Perdite totali

Poiché per induzioni elevate interessano soprattutto le perdite totali in watt (Wtot), la fig. 7 fornisce dati rilevati per via calorimetrica.

Si è constatato che il prodotto di Wtot e mi (permeabilità di ampiezza) è praticamente uguale per tutte le gradazioni di Ferroxcube. E' per questo che la fig. 7 dà i limiti dei prodotto

mi x Wtot (in watt x sec. cm³ dì materiale e per periodo) in funzione dell'induzione e per tre valori di frequenza. Solo per il Ferroxcube 3A, i valori dei prodotto in questione escono sensibilmente dai limiti normali, in corrispondenza di valori di frequenza elevati.

Le perdite magnetiche totali di un circuito si ottengono dividendo per mi il valore di mi x Wtot, corrispondente all'induzione ed alla frequenza considerata e moltiplicando il quoziente ottenuto per il volume di Ferroxcube in cm³ e per la frequenza.


Fig. 7 - Perdita totali in watt rilevate per via calorimetrica.

Distorsione non lineare

Causa la non linearità tra B ed H dovuta all'andamento dei ciclo ( isteresi non si avrà in generale un'induzione perfettamente sinusoidale in presenza di un campo sinusoidale. Un limite superiore della distorsione non lineare è dato dal fattore di isteresi q2 per bassi valori d'induzione.

Per valori più elevati la fig. 8 dà la percentuale di distorsione per il Ferroxcube 3A e 3B in funzione dell'induzione e per diversi valori di frequenza. Le curve sono state ricavate su di un anello chiuso. L’introduzione di un traferro, riducendo la permeabilità nel rapporto m' / mi riduce anche la percentuale di distorsione nello stesso rapporto.

Resistività e costante dielettrica

Il valore della resistività r delle varie gradazioni di Ferroxcube è indicato nella tabella l; il Ferroxcube ha inoltre una costante dielettrica e elevata, ma nel medesimo tempo anche l'angolo di perdite dielettriche è elevato.

Gli elevati valori di permeabilità e di costante dielettrica dei Ferroxcube 3, danno luogo ad una velocità di propagazione elettromagnetica normalmente bassa, che, in pezzi di Ferroxcube di notevole volume, potrebbe provocare risonanze dimensionali e quindi smorzamenti elevati. Questi inconvenienti suggeriscono, in tali circostanze, l’impiego dei Ferroxcube 4.

BOBINE DI ARRESTO A LARGA BANDA

La frequenza di lavoro è compresa tra lo e 300 MHz. Vengono impiegate come elementi di disaccoppiamento della RF nei ricevitori FM, nei televisori, ecc.

NUCLEI IN FERROXPLANA

Il ferroxplana è una ferrite esagonale che possiede un piano preferito di orientazione della magnetizzazione. Se il materiale è orientato in modo da avere tutti questi piani paralleli o con un asse in comune la permeabilità dei materiale varierà in differenti direzioni. Anche nel caso di Ferroxplana non orientato, la frequenza critica corrispondenza della quale la permeabilità tende a diminuire e le perdite ad aumentare (a causa della risonanza giromagnetica) risulta sempre 3 o 4 volte superiore a quella di un materiale in ferroxcube avente lo stesso valore di permeabilità. Questa è la ragione per cui il Ferroplana è particolarmente adatto per impieghi in alta frequenza.

NUCLEI PER TRASFORMATORI BALUN

Questi trasformatori vengono impiegati nei selettori di canali per televisione (banda IV).

Il segnale captato dal dipolo dell'antenna solitamente viene portato all'ingresso dei ricevitore mediante un cavo simmetrico verso massa (piattina).

Siccome però l'ingresso dell'amplificatore ha un terminale a massa si rende necessaria una trasformazione, e cioè, da segnale simmetrico a segnale asimmetrico verso massa (BALanced-UNbalanced). Si deve tenete conto inoltre delle severe esigenze riguardanti la soppressione delle interferenze. La tensione dell'oscillatore locale con le sue armoniche può raggiungere l'ingresso dell'amplificatore RF dei selettore e di qui penetrare nella piattina di discesa che per questi segnali si comporterebbe in tutta la sua lunghezza come elemento radiante. Ecco perché è estremamente importante che il circuito d'ingresso abbia una perfetta simmetria. Ciò si ottiene impiegando un trasformatore d'ingresso il cui nucleo magnetico consenta un accoppiamento a bassa perdita tra primario e secondario e che nello stesso tempo introduca un disturbo più basso possibile.

Ciò significa che questo materiale magnetico deve possedere a quella frequenza (180-216 MHz) un valore basso di permeabilità.

NUCLEI PER TRASFORMATORI BALUN

NUCLEI A PERLINA

Vista scatole valvole              Documento  correlato (Selezione Radio-TV 1976)
Torna indietro                       Calcolo trasformatori switching  di Francesco Villamaina       Altri documenti
Guida al progetto dei trasformatori per alimentatori Flyback e Forward