本日は、変圧器の製造におけるフェライトコアについて、
詳しく解説したいと思います。
フェライトコアは、変圧器やコイルの磁気回路を構成する重要な部品です。酸化鉄を主成分とするセラミック材料で、高い周波数での特性が優れているため、高周波回路で広く利用されています。
フェライトコアの特長
- 高周波特性: 高い周波数でも損失が少なく、効率の良い変圧器を実現できます。
- 小型軽量: 鉄心と比較して小型軽量化が可能で、電子機器の小型化に貢献します。
- 高耐熱性: 高温環境下でも安定した特性を保ちます。
- 低コスト: 鉄心と比較して安価に製造できます。
変圧器における役割
変圧器では、フェライトコアにコイルを巻くことで、電磁誘導の原理を利用して電圧を変換します。フェライトコアの形状や材質によって、変圧器の特性が大きく変化します。
フェライトコアの形状
フェライトコアには、様々な形状がありますが、変圧器によく用いられる形状として、以下の3つが挙げられます。
- EI型: 平面的な形状で、比較的低周波の変圧器によく用いられます。
- EER型: EI型を改良した形状で、より高い周波数での使用に適しています。
- PQ型: トロイダルコアの一種で、高い周波数での使用やノイズ対策に優れています。
各形状の特徴
| 形状 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|
| EI型 | 平面的な形状、比較的低周波 | 一般的な変圧器、電源回路など |
| EER型 | EI型の改良版、高周波特性に優れる | スイッチング電源など |
| PQ型 | トロイダルコア、高周波特性、ノイズ対策に優れる | 高周波回路、ノイズ対策用フィルタなど |
フェライトコアの形状を選ぶ際には、以下の点を考慮する必要があります。
- 動作周波数: 高周波になるほど、損失が少なく、漏洩磁束の少ない形状を選ぶ必要があります。
- インダクタンス: 必要とするインダクタンスに応じて、コアのサイズや形状を選択します。
- 変圧比: 変圧比に応じて、巻数比やコアのサイズを決定します。
- サイズと重量: 製品全体のサイズや重量の制約から、コアのサイズを選択します。
その他
フェライトコアの材質は、ニッケル亜鉛系、マンガン亜鉛系などがあり、それぞれの特性が異なります。また、温度特性や磁気特性なども考慮する必要があります。
変圧器の設計
変圧器を設計する際には、フェライトコアの特性だけでなく、コイルの巻き方、配線パターン、磁気シールドなど、様々な要素を考慮する必要があります。
フェライトコアがスイッチング電源回路で用いられる理由
スイッチング電源回路とフェライトコアの関係性
素晴らしいブログ記事ですね。フェライトコアの変圧器について、非常に詳しく説明されています。
スイッチング電源回路において、フェライトコアが特に多く使用される理由について、もう少し深掘りしてみましょう。
スイッチング電源回路の特徴と課題
- 高周波動作: スイッチング電源は、非常に高い周波数で動作します。
- 高効率: スイッチング動作により、従来の電源回路よりも高い効率を実現できます。
- 小型軽量化: 高周波動作により、変圧器を小型化できるため、電源全体の小型軽量化に貢献します。
一方で、高周波動作に伴う課題として、コア損という問題があります。コア損とは、磁性体であるコア内で発生するエネルギー損失のことです。このコア損は、主に以下の2つの要因によって発生します。
- ヒステリシス損: 磁界の変化に伴い、磁性体の磁化が遅れて発生することによって生じる損失です。
- 渦電流損: コア内部に誘導される渦電流によって発生する損失です。
フェライトコアが選ばれる理由
フェライトコアは、これらの課題を解決するために最適な材料なのです。
- 高い電気抵抗率: フェライトは電気抵抗率が高いため、渦電流の発生を抑制し、渦電流損を低減できます。
- 低いヒステリシス損: フェライトは、ヒステリシス損も小さいため、全体的なコア損を低減できます。
- 高周波特性: 高周波数領域においても、比較的低いコア損で動作できます。
- 温度特性: 温度変化による特性の変化が少なく、安定した動作が可能です。
まとめ
スイッチング電源回路では、高周波での動作が求められるため、コア損の少ない材料であるフェライトコアが最適です。フェライトコアの高い電気抵抗率と低いヒステリシス損が、高効率で小型なスイッチング電源の実現に大きく貢献しています。
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