• Leonardo Ritter; Drano Rauteon

Cap. 3.3. Bobinas com Pó de Ferro


Neste artigo será detalhado algumas informações sobre os populares indutores com núcleo de Ferro.

O Pó de Ferro, material bastante utilizado em indutores, possui uma saturação magnética alta, o que permite uma alta corrente elétrica sem que haja saturação. Outra característica é a permeabilidade magnética, que é ideal para indutores sem precisar utilizar Gaps construtivos no núcleo, tornando a dispersão magnética desprezível. Sua aplicação ocorre em fontes chaveadas (buck, boost, push-pull, flyback) onde servem de filtros de proteção. Eles ocupam um espaço menor e sem tanta dispersão magnética quanto os indutores de ferrite.

Um núcleo de Pó de ferro é feito a partir de metalurgia do Pó, com partículas 99% de pureza ou até mais que isso. Devido ao método de geração do Pó ser de grande relevância para o resultado final do produto, o processo de fabricação do material deve ser levado em conta. O pó pode ser obtido através de reações químicas, atomização de metais fundidos, deposição eletrolítica e processamento mecânico de materiais sólidos.

Existem dois tipos de produção de Pó de Ferro: Ferro Carbonila e Ferro Reduzido a Hidrogênio.

FERRO CARBONILA (CIP)

O Pó de Ferro Carbonila é feito a partir de sucata de Ferro comum, que é moído para gerar um pó que será reagido com monóxido de carbono há temperaturas elevadas sobre alta pressão. Esse processo todo produz Ferro Pentacarbonil, um líquido oleoso e de cor amarelada. Nessa fase, as impurezas presentes na sucata de ferro podem ser facilmente removidas através de destilação, obtendo pureza elevada. O composto então é aquecido até se decompor novamente em seus constituintes. No final do processo se obtém partículas esféricas microscópicas de alta pureza, inclusive com estrutura e tamanho definido. O monóxido de carbono liberado durante esse processo pode ser reciclado facilmente para a síntese do Ferro Pentacarbonil.

Os núcleos feitos de Pó de Ferro Carbonila são interessantes por sua estabilidade em um amplo espectro de temperaturas e também um amplo espectro de níveis de fluxo magnético. A Permeabilidade Magnética pode variar de 3 a 35 e o Fator Q também é muito bom nas faixas de frequência que vão de 50 kHz e 200 kHz.

FERRO REDUZIDO A HIDROGÊNIO

Este processo se dá através de Oxidação e redução para formar um material extremamente puro que poderá ser utilizado em indutores.

A Permeabilidade Magnética é maior, na faixa de 35 a 90, mas o Fator Q é inferior se comparado com o Pó de Ferro Carbonila.

O Pó de Ferro, para virar um núcleo de indutor, deve ser misturado com um produto isolante, um lubrificante e outro ligante. Após ocorrer a mistura, uma determinada quantidade do material produzido é prensado em uma matriz no formato desejado. Uma grande variedade de resinas pode ser utilizada como isolante, lubrificante e ligante, podendo-se facilmente mudar as características do núcleo.

Na imagem abaixo é possível ter uma ideia de como cada material se posiciona na estrutura do núcleo:

Depois dos núcleos serem produzidos, eles devem ser tratados termicamente numa temperatura baixa, para que se "cure" os agentes ligantes e partículas metálicas não se fundam uma na outra ou fiquem eletricamente curto-circuitadas, como em um processo de sintetização. A separação elétrica entre as partículas, realizadas pelos agentes ligantes e isolantes, permite que o núcleo de Pó de Ferro tenha um Gap distribuído. Devido ao Gap distribuído, este tipo de núcleo possui uma permeabilidade magnética efetiva relativamente baixa (alto em torno de 90), mas em compensação, uma capacidade muito alta de armazenamento de energia. O isolamento entre as partículas de ferro interfere nas correntes de fuga no interior do núclo do indutor. Estas correntes de fuga ficam restritas a cada partícula de Ferro durante a circulação de corrente elétrica. Comparado ao Aço-Elétrico laminado, núcleo feitos com Pó de Ferro apresentam significativamente menos perdas por correntes de fuga, porém, se comparados a outros materiais, como o Sendust (que será explicado na sequência), o Pó de Ferro apresenta perdas maiores.

A classificação dos núcleos de Pós de Ferro é de acordo com a permeabilidade, como você pode ver abaixo: > Alta Permeabilidade: Possuem permeabilidade magnética entre 60 e 90. Estes núcleos são usados principalmente para EMI e filtros. Operam em frequências até a faixa dos 75 kHz; > Média Permeabilidade: Possuem permeabilidade magnética entre 20 e 50. estes núcleos são utilizados em transformadores RF, indutores "puros" e indutores de armazenamento de energia. Podem operar em frequências que vão de 50 kHz a 2 MHz, sendo bastante indicados para fontes chaveadas que operam entre 250 kHz e 1 MHz. Suportam densidades de fluxo relativamente mais altas e maiores níveis de potência sem saturarem se comparados aos ferrites indicados para as mesmas aplicações; > Baixa Permeabilidade: Possuem permeabilidade entre 7 e 20. São utilizados quase que exclusivamente em faixas de EF, sendo que aplicações típicas são transformadores de RF e indutores puros que operam entre 2 MHz e 500 MHz. Existem algumas aplicações que utilizam núcleos de Pó de Ferro em frequências de até 1 GHz. Boas características de fluxo magnético combinadas com baixas perdas e uma boa estabilidade térmica fazem do Pó de ferro um material excelente na indústria de comunicação.

CURIOSIDADE: O Sendust foi inventado por Hakaru Masumoto na Universidade Imperial de Tohoku, em Sendai, Japão, por volta do ano 1936. Sendust é o nome de uma espécie de Pó de Ferro para ser utilizado em indutores para redes telefônicas. A composição do Sendust é, em sua forma típica, 85% Ferro, 9% de Silício e 6% de Alumínio. O Pó de Ferro e os outros dois materiais devem ser também sintetizados para evitar curto-circuito, a fundição e a cura das partículas que formam o Sendust.

Núcleos feitos de Sendust possuem alta permeabilidade magnética (em torno de 140.000), baixas perdas, baixa coercitividade (em torno de 5 A/m), boa estabilidade de temperatura e densidade de fluxo de saturação até a faixa dos 1 T (Um Tesla). Por possuir composição química e estrutura cristalográfica, o Sendust possui também a característica de exibir simultaneamente uma magnetostrição zero e uma constante anisotrópica magnetocristaliza zero. Outra característica do Sendust é ser mais duro que o Pemalloy e, portanto, é bastante útil em aplicações onde há desgaste abrasivo, como os cabeçotes de gravação magnética de dados (Discos Rígidos, por exemplo).

CURIOSIDADE: O Permalloy é uma família de ligas metálicas que podem conter de 70% a 90% de Níquel (Ni) e o restante podendo ser principalmente o Ferro (Fe). Ao Permalloy também pode ser incluído pequenos teores de outros elementos químicos, como por exemplo o Cobre (Cu), o Cromo (Cr) e o Molibdênio (Mo).

A liga Permalloy deve receber tratamento térmico especial para que adquira as propriedades magnéticas desejadas para uma determinada aplicação. Sua principal propriedade é uma permeabilidade magnética elevada (podendo atingir 200.000 em baixas intensidades de campo magnético).

Existem algumas composições mais comuns de Pó de Ferro para a construção de núcleos de bobinas, sendo o material 002, o 026, o 034 e o 052 extremamente utilizados na indústria. Veja abaixo uma dissertação sobre cada material:

> Material 002: Material que apresenta uma resposta mais linear, ideal para aplicações que necessitam de alta indução em alta frequência, como por exemplo amplificadores de classe D. Dentre todos os tipos de núcleos de Pó de Ferro, este é o que possui a menor densidade de perdas. Um fator negativo é que a resistência mecânica é menor que a de outros núcleos devido à sua composição. CLIQUE AQUI para saber mais especificações!

> Material 026: É o mais utilizado entre os núcleos de Pó de Ferro devido ao seu baixo custo de implementação. Amplamente aplicado em bobinas para circuitos dimerizáveis, em fontes chaveadas de baixa frequência, em bobinas que trabalham na frequência de rede e indutores de baixa indução. Dentre todos os materiais é o que possui maior densidade de perdas. CLIQUE AQUI para saber mais especificações!

> Material 034: É o material com maior custo benefício para aplicações que requerem linearidade na resposta do indutor frente à variação de indução. CLIQUE AQUI para saber mais especificações!

> Material 052: É semelhante ao material 026, podendo ser empregado nas mesmas aplicações, porém apresenta menores perdas energéticas. CLIQUE AQUI para saber mais especificações!

Indutores com núcleo de Pó de Ferro também são produzidos em formato SMD. Podemos citar uma linha de indutores SMD da série IHHP, produzidos pela Vishay Intertechnology, que foram projetados para suportar altas correntes de saturação de até 5,6 A, uma baixa DCR (na faixa de 15 MegaOhms) e uma ampla gama de valores de indutância, indo de 0.22 to 10µH.

Estes indutores SMD da Vishay operam entre -55ºC e +125ºC, são compatíveis com RoHS, livres de chumbo e possuem construção blindada, prevenindo assim a interferência com os componentes adjacentes no circuito. A série IHHP é fornecidas em encapsulamento miniatura 0806 de 2,0 x 1,6 mm e em encapsulamento miniatura 1008 com 2,5 x 2,0 mm, com alturas de 1,0 e 1,2 mm, respectivamente.

FONTES e CRÉDITOS

Texto: Leonardo Ritter

Imagens: Google Imagens;

Fontes: Magmattec; TangDa; tecnologiadosmateriais.com; Eletronic Specifier; Wikipedia (Somente artigos com fontes verificadas).

Ultima atualização: 22 de Julho de 2019.


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