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Núcleos de Polvo de Hierro: de la fabricación a la aplicación

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Los núcleos de polvo de hierro son comúnmente aplicados en fuentes conmutadas (buck, boost, push-pull, flyback) como filtros de protección, reduciendo el volumen del componente comparado a la ferrita y generando una menor dispersión magnética. Son encontrados también en circuitos dimerizábles, en inversores y en circuitos para corrección del factor de potencia.

Los núcleos de polvo de hierro son fabricados por metalurgia de polvo empleando partículas muy finas de hierro a 99% de pureza o más.  La calidad del polvo interfiere directamente en el desempeño final del producto. Por esto el método de obtención del polvo es un factor importante.  Los polvos pueden ser obtenidos por reacciones químicas, atomización de metales fundidos, deposición electrolítica y procesamiento mecánico de materiales sólidos.

Para la producción de núcleos de polvo de hierro existen dos tipos principales: el hierro carbonilo y el hierro reducido a hidrogeno. El polvo de hierro carbonilo es producido a partir de chatarra de hierro normal, finamente molido y reaccionado con monóxido de carbono.  Al final de todo el proceso, el hierro se deposita en la forma de partículas esféricas microscópicas de alta pureza, con estructura y tamaño definido. Los núcleos de hierro carbonilo son notables por su estabilidad en un amplio espectro de temperaturas y niveles de flujo magnético. La permeabilidad varia de menos de 3 a 35 y pueden ofrecer un excelente factor Q de 50kHz a 200MHz. Los núcleos de hierro reducido a hidrógeno tienen permeabilidad más alta, de 35 a 90.  Sin embargo, un menor factor Q puede ser esperado de este grupo de núcleos.

El proceso de fabricación de los núcleos comienza a partir de la mezcla del polvo con materiales aislantes, lubrificantes y ligantes.  La mezcla es prensada en una matriz en el formato deseado. Las propiedades magnéticas y mecánicas del núcleo van a depender del tipo de polvo utilizado, del aislante y ligante adicionado y del proceso de compactación, que puede ser realizado en caliente o en frio. Una variedad de resinas puede ser elegidas para alcanzar las propiedades deseadas.

Después de la conformación, los núcleos son tratados térmicamente en baja temperatura, de forma que se realice la curación de los agentes ligantes sin que las partículas metálicas de fundan o queden eléctricamente cortocircuitadas, como en un proceso de sinterización. Esta separación eléctrica entre las partículas (realizada por los materiales aislantes y ligantes) cría un gap distribuido.  Por lo que el núcleo de polvo de hierro tiene una permeabilidad efectiva baja, en torno de 90, e una alta capacidad de almacenamiento de energía.

El aislamiento entre las partículas interfiere en las corrientes de fuga en el interior del núcleo, que quedan restrictas a cada partícula durante la operación del circuito AC. Comparado con el acero laminado, núcleos formados por polvos magnéticos presentan una reducción significativa en las pérdidas eléctricas.  Sin embargo, los núcleos de polvo de hierro presentan pérdidas mayores cuando comparados a otros materiales también utilizados como polvos en la fabricación de núcleos magnéticos, como el Sendust.

Los núcleos de polvo de hierro pueden ser clasificados de acuerdo a su permeabilidad:

ALTA PERMEABILIDAD
Con permeabilidad entre 60 y 90, son usados principalmente para EMI y filtros. Operan en frecuencias hasta 75 kHz

MEDIA PERMEABILIDAD
Con permeabilidad entre 20 y 50, son usados como transformadores RF, inductores puros e inductores de almacenamiento de energía.  Estos materiales son usados en frecuencias de 50 kHz a 2 MHz. Soportan densidades de flujo más alta y mayores a niveles de potencia sin saturar si se comparan con las ferritas indicadas para las mismas aplicaciones.  Son más indicados para fuentes conmutadas operando entre 250 kHz y 1 MHz

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BAJA PERMEABILIDAD

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Con permeabilidad entre 7 y 20, son usados casi que exclusivamente en el rango EF. Aplicaciones típicas son transformadores RF e inductores puros operando en frecuencias entre 2 MHz y 500 MHz.  Algunas aplicaciones para radares usan núcleos de polvo de hierro en frecuencias que ultrapasan 1 GHz. Buenas características de flujo magnético combinados con bajas pérdidas y buena estabilidad térmica hacen de este tipo de material una elección común para las aplicaciones en la industria de comunicación.

Abajo son listadas las composiciones más comunes de núcleos de polvo de hierro y un breve comentario de sus propiedades y aplicaciones.

MATERIAL 002: Es el material que presenta la respuesta más lineal, ideal para aplicaciones que necesitan de alta inducción en alta frecuencia, como amplificadores de clase D. Dentro de todos los tipos de núcleos de polvo de hierro, es el que posee la menor densidad de pérdidas.  Su resistencia mecánica es menor que la de otros núcleos debido a su composición.

 

 

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MATERIAL 026: El matrial 026 es el mas utilizado entre los núcleos de polvo de hierro debido a su bajo costo.  Ampliamente aplicado en inductores para circuitos dimerizables, en fuentes conmutadas de baja frecuencia, en inductores que trabajan en frecuencia de rede e inductores de baja inducción.  Dentro de todos los materiales es el que posee mayor densidad de pérdidas.

 

MATERIAL 034: Es el material que presente el mejor costo beneficio para aplicaciones que requieren linealidad en la respuesta del inductor frente a la variación de inducción.

 

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MATERIAL 052: Semejante al materisl 026, el material 052 puede ser empleado en las mismas aplicaciones, pero presenta menores pérdidas energéticas[MPM1] .

 

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