Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt kurz die Eigenschaften und die Auswahl magnetischer Materialien in elektronischen Vorschaltgeräten und dient als Referenz für die Konstruktion von Magnetkernkomponenten. 1. Einleitung: Mit dem gesellschaftlichen Fortschritt und der rasanten technologischen Entwicklung finden Neonbeleuchtungen immer häufiger Anwendung in Einkaufszentren. Elektronische Vorschaltgeräte sind eine Schlüsselkomponente zur Verbesserung ihrer Qualität. Daher muss die Auswahl der Magnetkernkomponenten den Eigenschaften und Anforderungen der elektronischen Vorschaltgeräte entsprechen. 2. Aussehen und Aufbau: Die Magnetkernkomponenten in elektronischen Vorschaltgeräten lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Induktivitäten und Impulstransformatoren. Daher ist die Auswahl geeigneter Magnetkernkomponenten unerlässlich. Die in Impulstransformatoren üblicherweise verwendete Magnetkernstruktur ist oft ringförmig, mit gängigen Spezifikationen wie T12*6*4, T9*5*3, 10*6*4, T8*4*4 usw. Bei Verwendung von MOSFETs als Schalter in einer Halbbrückenschaltung sollte der Innendurchmesser des Magnetrings etwas größer sein, um eine ausreichende Windungszahl für die Ansteuerung des Gates zu gewährleisten. Die in EMI-Filterinduktivitäten, PFC-Boost-Induktivitäten und Drosseln verwendeten Magnetkerne sind hauptsächlich vom Typ UU, EE, EI und PQ. In elektronischen Vorschaltgeräten mit einer Leistung von 35–100 W kommen verschiedene Kernmodelle zum Einsatz, beispielsweise EE19/16, E25, EF20 und PQ26/20. Derzeit produzieren zahlreiche Joint Ventures und hundertprozentige Tochtergesellschaften in China Magnetkernmaterialien, was zu einer großen Modellvielfalt führt. Bei der Auswahl eines Magnetkerns müssen dessen Struktur und Materialzusammensetzung gemeinsam betrachtet werden. Kerne mit gleichen Spezifikationen, aber unterschiedlichen Materialien weisen deutlich unterschiedliche Eigenschaften auf. Nach der Auswahl des Kernmaterials werden die strukturellen Abmessungen durch Parameter wie Lampenleistung und Induktivität bestimmt. 3. Auswahl des Kernmaterials: Unterschiedliche Magnetmaterialien haben unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungsbereiche. Weichmagnetische Ferrite lassen sich im Allgemeinen in Mangan-Zink-Ferrit, Nickel-Zink-Ferrit, amorphe Ferrite und Legierungen unterteilen. Gängige weichmagnetische Ferrite für Schaltnetzteile sind beispielsweise PC40, PC30 und PC44. Nickel-Zink-Ferrite weisen eine geringe Anfangspermeabilität (typischerweise μi < 1000) und eine hohe Curie-Temperatur auf, wodurch die Betriebsfrequenz über 0,1 MHz liegt. So erreicht beispielsweise das Ferrit FK1 von FERRITE KING eine Curie-Temperatur von 400 °C, die Betriebsfrequenz liegt im Bereich von 10–150 MHz, während die Anfangspermeabilität nur 10–20 beträgt. Im Gegensatz dazu weist das Material N10J eine Anfangspermeabilität von 10000 auf, die Curie-Temperatur beträgt jedoch nur etwa 120 °C, und die Betriebsfrequenz ist mit lediglich 100 kHz ebenfalls niedrig. Obwohl es sich in beiden Fällen um Mangan-Zink-Ferrite (Mn-Zn) handelt, unterscheiden sich die Eigenschaften der verschiedenen Materialien deutlich. Tabelle 1 listet die Standardkennwerte einiger gängiger Mangan-Zink-Ferrite auf. Bei Verwendung von Bipolartransistoren als Schaltern erreicht das elektronische Vorschaltgerät eine Betriebsfrequenz von 55 kHz; mit MOSFETs sind bis zu 150 kHz möglich. Die meisten Kernmaterialien erfüllen die Anforderungen elektronischer Vorschaltgeräte. Bei der Auswahl der Kernmaterialien sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden: (1) Die Curie-Temperatur TC muss ausreichend hoch sein. Da die Temperatur im Gehäuse elektronischer Vorschaltgeräte, insbesondere von Leuchtstofflampen, häufig über 80 °C liegt und die Kerntemperatur selbst über 90 °C erreichen kann, führt eine zu niedrige Curie-Temperatur des Kerns unweigerlich zu einem starken Abfall der Anfangspermeabilität μi, der Sättigungsflussdichte BS und der Induktivität sowie zu einem Leistungsanstieg in der Lampenröhre. Dies verkürzt die Lebensdauer des elektronischen Vorschaltgeräts. Um sicherzustellen, dass die Temperatur im Gehäuse des elektronischen Vorschaltgeräts deutlich unter der Curie-Temperatur des Kerns liegt, empfiehlt sich die Wahl eines Kernmaterials mit einer Curie-Temperatur TC > 180 °C. (2) Die Anfangspermeabilität μi des Kerns sollte moderat sein. Es gibt zahlreiche Spezifikationen für die Anfangspermeabilität μi, die von 100 bis über 10.000 reichen. Die Wahl der Anfangspermeabilität für die Kernanordnung muss den Anforderungen der Curie-Temperatur TC entsprechen. Materialien mit einer Permeabilität μi über 4.000 weisen in der Regel eine Curie-Temperatur unter 150 °C oder sogar unter 130 °C auf, während Materialien mit einer Permeabilität μi unter 3.000 im Allgemeinen eine Curie-Temperatur über 180 °C erreichen können. Daher ist es für die Herstellung von Induktivitäten wie Drosseln sinnvoller, einen Magnetkern mit einer Permeabilität μi von 2.000 bis 3.000 zu verwenden. Bei Impulstransformatoren erzeugt der Magnetring selbst weniger Wärme, und die Umgebungstemperatur beträgt üblicherweise 90 °C. Daher kann die Curie-Temperatur des Magnetrings entsprechend niedriger sein, und die Permeabilität sollte möglichst hoch sein, um ein ausreichend hohes Ansteuersignal zu erhalten und den Transistor schnell in die Sättigung zu treiben. Gleichzeitig kann eine höhere Anfangspermeabilität μi die Anzahl der Wicklungswindungen reduzieren und dadurch die Streuinduktivität und die verteilte Kapazität verringern, was die Form des Ansteuersignals verbessert. (3) Der spezifische Widerstand ρ sollte relativ hoch sein. Bei konstanter Betriebsfrequenz ist der Wirbelstromverlust des Magnetkernmaterials umgekehrt proportional zum spezifischen Widerstand. Um die Verluste der Magnetkernanordnung zu reduzieren, empfiehlt sich die Wahl eines Magnetkerns mit einem höheren spezifischen Widerstand ρ. Der spezifische Widerstand von Magnetkernmaterialien liegt meist zwischen 0,15 und 10⁸ Ω·m, wobei der spezifische Widerstand ρ von Mangan-Zink-Ferrit im Allgemeinen zwischen 0,1 und 100 Ω·m liegt. Der spezifische Widerstand des Magnetkernmaterials sollte möglichst gering sein, jedoch müssen auch andere Materialeigenschaften berücksichtigt werden. Beispielsweise erreicht der spezifische Widerstand von Nickel-Zink-N3L zwar 1 × 10⁷ Ω·m, seine Curie-Temperatur (TC) ist jedoch mit 100 °C zu niedrig, wodurch es für den Einsatz in elektronischen Vorschaltgeräten ungeeignet ist. Bei den in Tabelle 1 aufgeführten Mangan-Zink-Ferritmaterialien können, wenn nur die Anforderungen an Parameter wie μi, TC und BS berücksichtigt werden, die Materialien N2J und N3J ausgewählt werden. Der spezifische Widerstand dieser Materialien ist am höchsten (p 6,5 Ω·m), was zu geringeren Leistungsverlusten führt. (4) Geeigneter Temperaturkoeffizient. Unterschiedliche magnetische Komponenten in elektronischen Vorschaltgeräten erfordern unterschiedliche Temperaturkoeffizienten. Für die Magnetringe von Impulstransformatoren ist ein negativer Temperaturkoeffizient erforderlich. Das bedeutet, dass ihre Permeabilität bzw. Spuleninduktivität mit steigender Temperatur abnimmt. Bei einer Temperaturänderung von Raumtemperatur auf 100 °C erhöht sich die Stromverstärkung Hef des Leistungstransistors um etwa 10 bis 15 %, und der Kollektorstrom steigt entsprechend an. Innerhalb dieses Temperaturbereichs kompensiert ein Magnetring mit negativem Temperaturkoeffizienten der Permeabilität den positiven Temperaturkoeffizienten von Hef des Transistors oder gleicht ihn sogar vollständig aus. Dadurch bleibt ein Gleichgewicht erhalten, was den stabilen Betrieb des elektronischen Vorschaltgeräts gewährleistet. Im EMV-Filter sollte der Magnetkern der Induktivität möglichst wenig von der Temperaturerhöhung beeinflusst werden, damit die LT-Kennlinie insgesamt flach bleibt. Andernfalls, wenn sich der Induktivitätswert mit der Temperaturerhöhung stark ändert, verschlechtert sich die bei Raumtemperatur eingestellte Filterwirkung. Der Magnetkern der Hochfrequenzdrossel sollte vorzugsweise einen positiven Temperaturkoeffizienten der Permeabilität μi aufweisen, d. h. die Induktivität der Drossel steigt mit zunehmender Temperatur, wodurch die Leistungsaufnahme der Energiesparlampe sinkt. Das Material R2K besitzt diese Temperatureigenschaft. Unabhängig davon, ob es sich um eine Drossel oder eine APFC-Boost-Induktivität handelt, ist es jedoch ratsam, einen Magnetkern mit negativem Temperaturkoeffizienten zu wählen. Beispielsweise sinkt die Leistungsaufnahme des Materials R2,5k mit einem Temperaturanstieg von 25 °C auf 80 °C, wobei sie bei etwa 80 °C am geringsten ist. Dieses Material entspricht den Anforderungen besser. Selbst wenn der Temperaturkoeffizient des Magnetmaterials nicht vollständig zufriedenstellend ist, sollte zumindest sichergestellt sein, dass sich Parameter wie Induktivität und Leistungsaufnahme mit steigender Temperatur so gering wie möglich ändern. (5) Sättigungsmagnetflussdichte BS und Hystereseschleife. Die magnetischen Komponenten im elektronischen Vorschaltgerät sollten eine hohe Sättigungsflussdichte aufweisen (BS: 450–550 mT), um eine ausreichende Ansteuerleistung des Impulstransformators zu gewährleisten und einen schnellen Temperaturanstieg der Hochfrequenzdrossel oder der Aufwärtsinduktivität durch leichte magnetische Sättigung zu verhindern. Ist der BS-Wert zu niedrig, kann keine ausreichend hohe Curie-Temperatur erreicht werden. Da die Hystereseverluste des Magnetkerns proportional zur Fläche der Hystereseschleife sind, ist ein Magnetkern mit einer relativ schmalen Hystereseschleife vorteilhaft für die Reduzierung des Stromverbrauchs. Der Magnetring des Impulstransformators muss eine annähernd rechteckige Hystereseschleife aufweisen. Um sicherzustellen, dass die beiden Transistoren im Halbbrückenwechselrichter symmetrische Stromverläufe erzeugen, ist eine gute Symmetrie der Hystereseschleife des Magnetrings erforderlich. (6) Prüfung, Auswahl und Klassifizierung der Magnetkernkomponenten. Da sich die Parameter magnetischer Bauteile nach der Herstellung innerhalb eines bestimmten Zeitraums deutlich verschlechtern, kann es bei sofortigem Einbau in elektronische Vorschaltgeräte zu Funktionsstörungen kommen. Die natürliche Degradation des Magnetkerns innerhalb des ersten Monats nach der Herstellung ist in der Regel deutlich höher als der im Datenblatt angegebene Degradationskoeffizient. Wird die Magnetkernbaugruppe nach der Herstellung mindestens einen Monat lang gelagert und anschließend geprüft und klassifiziert, ist die Parameterverschlechterung minimal. Magnetische Bauteile können auch durch Vibrationen, Stöße und Druck eine Verschlechterung ihrer Kennwerte erfahren. Daher müssen Magnetkerne nach der Prüfung und Klassifizierung vor Druck, Stößen und Stürzen geschützt und beim Transport und der Montage sorgfältig behandelt werden. Die Konsistenz inländisch hergestellter Magnetkerne ist derzeit gering; selbst Produkte desselben Herstellers und derselben Charge können erhebliche Parameterabweichungen aufweisen. Daher sind die vollständige Prüfung, das Screening und die Klassifizierung aller Magnetkerne unerlässlich. Wird beispielsweise ein Impulstransformator-Magnetring ohne Prüfung, Auswahl und Sortierung in der Serienproduktion eingesetzt, können einige elektronische Vorschaltgeräte nicht schwingen, während andere zwar starten, aber schnell ausfallen. Da die Anzahl der Windungen in einem Magnetkern in der Serienproduktion festgelegt ist, sind Prüfung, Auswahl und Sortierung unerlässliche Schritte.