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In unserer idealen Welt stehen Sicherheit, Qualität und Leistung an erster Stelle. In vielen Fällen sind jedoch die Kosten der Endkomponente, einschließlich des Ferrits, zum entscheidenden Faktor geworden. Dieser Artikel soll Konstrukteuren dabei helfen, alternative Ferritmaterialien zu finden, die sie reduzieren können kosten.
Die gewünschten intrinsischen Materialeigenschaften und die Kerngeometrie werden durch jede spezifische Anwendung bestimmt. Zu den inhärenten Eigenschaften, die die Leistung bei Anwendungen mit niedrigem Signalpegel bestimmen, gehören Permeabilität (insbesondere Temperatur), geringe Kernverluste und gute magnetische Stabilität über Zeit und Temperatur. Zu den Anwendungen gehören hohe Güte Induktivitäten, Gleichtaktinduktivitäten, Breitband-, Anpassungs- und Impulstransformatoren, Funkantennenelemente sowie aktive und passive Repeater. Für Leistungsanwendungen sind eine hohe Flussdichte und geringe Verluste bei Betriebsfrequenz und Temperatur wünschenswerte Eigenschaften. Zu den Anwendungen gehören Schaltnetzteile für Laden von Elektrofahrzeugbatterien, magnetische Verstärker, DC-DC-Wandler, Leistungsfilter, Zündspulen und Transformatoren.
Die intrinsische Eigenschaft, die den größten Einfluss auf die Leistung von Weichferrit bei Unterdrückungsanwendungen hat, ist die komplexe Permeabilität [1], die proportional zur Impedanz des Kerns ist. Es gibt drei Möglichkeiten, Ferrit als Unterdrücker unerwünschter Signale (leitungsgebunden oder abgestrahlt) zu verwenden ).Die erste und am wenigsten verbreitete Anwendung ist eine praktische Abschirmung, bei der Ferrite verwendet werden, um Leiter, Komponenten oder Schaltkreise von der Umgebung des strahlenden elektromagnetischen Streufelds zu isolieren. Bei der zweiten Anwendung werden Ferrite mit kapazitiven Elementen verwendet, um einen Tiefpass zu erzeugen Filter, d. h. Induktivität – kapazitiv bei niedrigen Frequenzen und Verlustleistung bei hohen Frequenzen. Die dritte und häufigste Verwendung besteht darin, dass Ferritkerne allein für Komponentenleitungen oder Schaltkreise auf Platinenebene verwendet werden. In dieser Anwendung verhindert der Ferritkern jegliche parasitäre Schwingungen und/oder oder dämpft unerwünschte Signalaufnahme oder -übertragung, die sich über Komponentenleitungen oder Verbindungen, Leiterbahnen oder Kabel ausbreiten kann. In der zweiten und dritten Anwendung unterdrücken Ferritkerne leitungsgebundene EMI, indem sie von EMI-Quellen gezogene Hochfrequenzströme eliminieren oder stark reduzieren. Die Einführung von Ferrit sorgt dafür Die Frequenzimpedanz ist hoch genug, um hochfrequente Ströme zu unterdrücken. Theoretisch würde ein idealer Ferrit eine hohe Impedanz bei EMI-Frequenzen und eine Impedanz von Null bei allen anderen Frequenzen bieten. Tatsächlich bieten Ferrit-Entstörkerne eine frequenzabhängige Impedanz. Bei Frequenzen unter 1 MHz beträgt die Abhängig vom Ferritmaterial kann eine maximale Impedanz zwischen 10 MHz und 500 MHz erreicht werden.
Da es mit den Prinzipien der Elektrotechnik übereinstimmt, wo Wechselspannung und -strom durch komplexe Parameter dargestellt werden, kann die Permeabilität eines Materials als komplexer Parameter ausgedrückt werden, der aus Real- und Imaginärteilen besteht. Dies wird bei hohen Frequenzen demonstriert, wo die Die Permeabilität spaltet sich in zwei Komponenten auf. Der Realteil (μ‘) stellt den reaktiven Teil dar, der in Phase mit dem magnetischen Wechselfeld ist [2], während der Imaginärteil (μ“) die Verluste darstellt, die mit dem phasenverschoben sind magnetisches Wechselfeld. Diese können als Reihenkomponenten (μs'μs") oder als Parallelkomponenten (µp'µp") ausgedrückt werden. Die Diagramme in den Abbildungen 1, 2 und 3 zeigen die Reihenkomponenten der komplexen Anfangspermeabilität als Funktion der Frequenz für drei Ferritmaterialien. Materialtyp 73 ist ein Mangan-Zink-Ferrit, die anfängliche magnetische Leitfähigkeit beträgt 2500. Materialtyp 43 ist ein Nickel-Zink-Ferrit mit einer Anfangspermeabilität von 850. Materialtyp 61 ist ein Nickel-Zink-Ferrit mit einer Anfangspermeabilität von 125.
Wenn wir uns auf die Serienkomponente des Typ-61-Materials in Abbildung 3 konzentrieren, sehen wir, dass der reale Teil der Permeabilität, μs‘, mit zunehmender Frequenz konstant bleibt, bis eine kritische Frequenz erreicht wird, und dann schnell abnimmt. Der Verlust oder μs‘ steigt und erreicht dann seinen Höhepunkt, wenn μs' abfällt. Diese Abnahme von μs' ist auf das Einsetzen der ferrimagnetischen Resonanz zurückzuführen. [3] Es ist zu beachten, dass die Frequenz umso niedriger ist, je höher die Permeabilität ist. Diese umgekehrte Beziehung wurde erstmals von Snoek beobachtet und ergab die folgende Formel:
wobei: ƒres = μs“ Frequenz bei Maximum γ = gyromagnetisches Verhältnis = 0,22 x 106 A-1 m μi = Anfangspermeabilität Msat = 250-350 Am-1
Da sich Ferritkerne, die in Anwendungen mit niedrigem Signalpegel und hoher Leistung verwendet werden, auf magnetische Parameter unterhalb dieser Frequenz konzentrieren, veröffentlichen Ferrithersteller selten Permeabilitäts- und/oder Verlustdaten bei höheren Frequenzen. Bei der Spezifizierung von Ferritkernen für die EMI-Unterdrückung sind jedoch höhere Frequenzdaten unerlässlich.
Die Eigenschaft, die die meisten Ferrithersteller für Komponenten zur EMI-Unterdrückung angeben, ist die Impedanz. Die Impedanz lässt sich leicht mit einem handelsüblichen Analysator mit direkter digitaler Anzeige messen. Leider wird die Impedanz normalerweise bei einer bestimmten Frequenz angegeben und ist ein Skalar, der die Größe des Komplexes darstellt Impedanzvektor. Obwohl diese Informationen wertvoll sind, reichen sie oft nicht aus, insbesondere bei der Modellierung der Schaltungsleistung von Ferriten. Um dies zu erreichen, müssen der Impedanzwert und der Phasenwinkel der Komponente oder die komplexe Permeabilität des spezifischen Materials verfügbar sein.
Aber noch bevor Designer mit der Modellierung der Leistung von Ferritkomponenten in einer Schaltung beginnen, sollten sie Folgendes wissen:
wobei μ'= Realteil der komplexen Permeabilität μ“= Imaginärteil der komplexen Permeabilität j = imaginärer Einheitsvektor Lo= Luftkerninduktivität
Die Impedanz des Eisenkerns wird auch als Reihenkombination aus der induktiven Reaktanz (XL) und dem Verlustwiderstand (Rs) betrachtet, die beide frequenzabhängig sind. Ein verlustfreier Kern hat eine Impedanz, die durch die Reaktanz gegeben ist:
wobei: Rs = Gesamtserienwiderstand = Rm + Re Rm = äquivalenter Serienwiderstand aufgrund magnetischer Verluste Re = äquivalenter Serienwiderstand aufgrund von Kupferverlusten
Bei niedrigen Frequenzen ist die Impedanz der Komponente hauptsächlich induktiv. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Induktivität ab, während die Verluste zunehmen und die Gesamtimpedanz zunimmt. Abbildung 4 ist ein typisches Diagramm von XL, Rs und Z über der Frequenz für unsere Materialien mit mittlerer Permeabilität .
Dann ist die induktive Reaktanz proportional zum Realteil der komplexen Permeabilität, nämlich Lo, der Luftkerninduktivität:
Der Verlustwiderstand ist durch dieselbe Konstante auch proportional zum Imaginärteil der komplexen Permeabilität:
In Gleichung 9 wird das Kernmaterial durch µs' und µs'' angegeben, und die Kerngeometrie wird durch Lo angegeben. Daher kann nach Kenntnis der komplexen Permeabilität verschiedener Ferrite ein Vergleich durchgeführt werden, um das am besten geeignete Material für den gewünschten Wert zu erhalten Frequenz oder Frequenzbereich. Nach der Auswahl des besten Materials ist es an der Zeit, die Komponenten mit der besten Größe auszuwählen. Die Vektordarstellung der komplexen Permeabilität und Impedanz ist in Abbildung 5 dargestellt.
Der Vergleich von Kernformen und Kernmaterialien zur Impedanzoptimierung ist einfach, wenn der Hersteller ein Diagramm der komplexen Permeabilität gegenüber der Frequenz für Ferritmaterialien bereitstellt, die für Unterdrückungsanwendungen empfohlen werden. Leider sind diese Informationen selten verfügbar. Die meisten Hersteller geben jedoch die anfängliche Permeabilität und den Verlust gegenüber der Frequenz an Kurven. Aus diesen Daten kann ein Vergleich der zur Optimierung der Kernimpedanz verwendeten Materialien abgeleitet werden.
In Abbildung 6 sind die anfängliche Permeabilität und der Verlustfaktor [4] des Fair-Rite-73-Materials im Verhältnis zur Frequenz dargestellt, wobei davon ausgegangen wird, dass der Designer eine maximale Impedanz zwischen 100 und 900 kHz gewährleisten möchte. Es wurden 73-Materialien ausgewählt. Zu Modellierungszwecken hat der Designer auch muss die reaktiven und ohmschen Teile des Impedanzvektors bei 100 kHz (105 Hz) und 900 kHz verstehen. Diese Informationen können aus der folgenden Tabelle abgeleitet werden:
Bei 100 kHz ist μs' = μi = 2500 und (Tan δ / μi) = 7 x 10-6, weil Tan δ = μs ”/ μs', dann ist μs“ = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Es ist zu beachten, dass μ“ erwartungsgemäß bei dieser niedrigen Frequenz nur sehr wenig zum Gesamtpermeabilitätsvektor beiträgt. Die Impedanz des Kerns ist größtenteils induktiv.
Designer wissen, dass der Kern Draht Nr. 22 aufnehmen und in einen Raum von 10 mm x 5 mm passen muss. Der Innendurchmesser wird mit 0,8 mm angegeben. Um die geschätzte Impedanz und ihre Komponenten zu ermitteln, wählen Sie zunächst eine Perle mit einem Außendurchmesser von aus 10 mm und eine Höhe von 5 mm:
Z= ωLo (2500,38) = (6,28 x 105) x 0,0461 x log10 (5/0,8) x 10 x (2500,38) x 10-8= 5,76 Ohm bei 100 kHz
In diesem Fall wird, wie in den meisten Fällen, die maximale Impedanz durch die Verwendung eines kleineren Außendurchmessers mit einer längeren Länge erreicht. Wenn der Innendurchmesser größer ist, z. B. 4 mm, und umgekehrt.
Der gleiche Ansatz kann verwendet werden, wenn Diagramme der Impedanz pro Einheit Lo und des Phasenwinkels gegenüber der Frequenz bereitgestellt werden. Die Abbildungen 9, 10 und 11 stellen solche Kurven für die gleichen drei hier verwendeten Materialien dar.
Designer möchten eine maximale Impedanz über den Frequenzbereich von 25 MHz bis 100 MHz garantieren. Der verfügbare Platz auf der Platine beträgt wiederum 10 mm x 5 mm und der Kern muss Draht Nr. 22 AWG aufnehmen. In Abbildung 7 finden Sie die Einheitsimpedanz Lo der drei Ferritmaterialien. oder Abbildung 8 für die komplexe Permeabilität derselben drei Materialien, wählen Sie das 850 μi-Material.[5] Anhand des Diagramms in Abbildung 9 beträgt das Z/Lo-Verhältnis des Materials mit mittlerer Permeabilität 350 x 108 Ohm/H bei 25 MHz. Berechnen Sie die geschätzte Impedanz:
In der vorangehenden Diskussion wird davon ausgegangen, dass der gewählte Kern zylindrisch ist. Wenn Ferritkerne für Flachbandkabel, gebündelte Kabel oder Lochplatten verwendet werden, wird die Berechnung von Lo schwieriger und es müssen ziemlich genaue Werte für die Pfadlänge des Kerns und die effektive Fläche ermittelt werden um die Induktivität des Luftkerns zu berechnen. Dies kann durch mathematisches Schneiden des Kerns und Addieren der berechneten Pfadlänge und der magnetischen Fläche für jede Scheibe erfolgen. In allen Fällen ist jedoch die Zunahme oder Abnahme der Impedanz proportional zur Zunahme oder Abnahme der Impedanz die Höhe/Länge des Ferritkerns.[6]
Wie bereits erwähnt, spezifizieren die meisten Hersteller Kerne für EMI-Anwendungen anhand der Impedanz, der Endbenutzer muss jedoch normalerweise die Dämpfung kennen. Die Beziehung, die zwischen diesen beiden Parametern besteht, ist:
Diese Beziehung hängt von der Impedanz der Quelle ab, die das Rauschen erzeugt, und der Impedanz der Last, die das Rauschen empfängt. Bei diesen Werten handelt es sich normalerweise um komplexe Zahlen, deren Bereich unendlich sein kann und die dem Designer nicht ohne weiteres zur Verfügung stehen. Wählen Sie einen Wert von 1 Ohm für die Last- und Quellenimpedanzen, die auftreten können, wenn die Quelle ein Schaltnetzteil ist und viele Schaltkreise mit niedriger Impedanz belastet, vereinfacht die Gleichungen und ermöglicht den Vergleich der Dämpfung von Ferritkernen.
Das Diagramm in Abbildung 12 ist eine Reihe von Kurven, die die Beziehung zwischen der Schirmwulstimpedanz und der Dämpfung für viele gängige Werte der Last plus Generatorimpedanz zeigen.
Abbildung 13 ist ein Ersatzschaltbild einer Störquelle mit einem Innenwiderstand von Zs. Das Störsignal wird durch die Serienimpedanz Zsc des Entstörkerns und die Lastimpedanz ZL erzeugt.
Die Abbildungen 14 und 15 sind Diagramme der Impedanz über der Temperatur für dieselben drei Ferritmaterialien. Das stabilste dieser Materialien ist das Material 61 mit einer Impedanzreduzierung von 8 % bei 100 °C und 100 MHz. Im Gegensatz dazu zeigte das Material 43 einen Wert von 25 Prozentualer Impedanzabfall bei gleicher Frequenz und Temperatur. Diese Kurven können, sofern vorhanden, zur Anpassung der angegebenen Raumtemperaturimpedanz verwendet werden, wenn eine Dämpfung bei erhöhten Temperaturen erforderlich ist.
Wie die Temperatur beeinflussen auch Gleichstrom und 50- oder 60-Hz-Versorgungsströme die gleichen inhärenten Ferriteigenschaften, was wiederum zu einer niedrigeren Kernimpedanz führt. Die Abbildungen 16, 17 und 18 sind typische Kurven, die die Auswirkung der Vorspannung auf die Impedanz eines Ferritmaterials veranschaulichen .Diese Kurve beschreibt die Impedanzverschlechterung als Funktion der Feldstärke für ein bestimmtes Material als Funktion der Frequenz. Es ist zu beachten, dass der Effekt der Vorspannung mit zunehmender Frequenz abnimmt.
Seitdem diese Daten zusammengestellt wurden, hat Fair-Rite Products zwei neue Materialien eingeführt. Unser 44 ist ein Nickel-Zink-Material mit mittlerer Permeabilität und unser 31 ist ein Mangan-Zink-Material mit hoher Permeabilität.
Abbildung 19 ist ein Diagramm der Impedanz über der Frequenz für Perlen gleicher Größe in den Materialien 31, 73, 44 und 43. Das Material 44 ist ein verbessertes 43-Material mit höherem Gleichstromwiderstand, 109 Ohm cm, besseren Thermoschockeigenschaften und Temperaturstabilität höhere Curie-Temperatur (Tc). Das 44-Material weist im Vergleich zu unserem 43-Material eine etwas höhere Impedanz-Frequenz-Charakteristik auf. Das stationäre Material 31 weist über den gesamten Messfrequenzbereich eine höhere Impedanz als 43 oder 44 auf. Das 31-Material wurde entwickelt, um dies zu mildern Dimensionsresonanzproblem, das sich auf die Niederfrequenzunterdrückungsleistung größerer Mangan-Zink-Kerne auswirkt und erfolgreich auf Kabelstecker-Unterdrückungskerne und große Ringkernkerne angewendet wurde. Abbildung 20 ist ein Diagramm der Impedanz über der Frequenz für 43-, 31- und 73-Materialien für Fair -Rite-Kerne mit 0,562″ Außendurchmesser, 0,250 Innendurchmesser und 1,125 HT. Beim Vergleich von Abbildung 19 und Abbildung 20 ist zu beachten, dass für kleinere Kerne und Frequenzen bis zu 25 MHz 73-Material das beste Entstörmaterial ist. Mit zunehmendem Kernquerschnitt nimmt jedoch die maximale Frequenz ab. Wie aus den Daten in Abbildung 20 hervorgeht, ist 73 die beste Frequenz. Die höchste Frequenz beträgt 8 MHz. Erwähnenswert ist auch, dass das 31-Material im Frequenzbereich von 8 MHz bis 300 MHz eine gute Leistung erbringt. Allerdings hat das Material 31 als Mangan-Zink-Ferrit einen viel geringeren spezifischen Volumenwiderstand von 102 Ohm-cm und stärkere Impedanzänderungen bei extremen Temperaturänderungen.
Glossar Luftkerninduktivität – Lo (H) Die Induktivität, die gemessen werden würde, wenn der Kern eine gleichmäßige Permeabilität hätte und die Flussverteilung konstant bliebe. Allgemeine Formel Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Ring Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Abmessungen sind in mm
Dämpfung – A (dB) Die Verringerung der Signalamplitude bei der Übertragung von einem Punkt zum anderen. Es handelt sich um ein skalares Verhältnis der Eingangsamplitude zur Ausgangsamplitude in Dezibel.
Kernkonstante – C1 (cm-1) Die Summe der magnetischen Pfadlängen jedes Abschnitts des Magnetkreises geteilt durch den entsprechenden magnetischen Bereich desselben Abschnitts.
Kernkonstante – C2 (cm-3) Die Summe der Magnetkreislängen jedes Abschnitts des Magnetkreises geteilt durch das Quadrat der entsprechenden magnetischen Domäne desselben Abschnitts.
Die effektiven Abmessungen der magnetischen Pfadfläche Ae (cm2), der Pfadlänge le (cm) und des Volumens Ve (cm3). Für eine gegebene Kerngeometrie wird angenommen, dass die magnetische Pfadlänge, die Querschnittsfläche und das Volumen von Der Ringkern hat die gleichen Materialeigenschaften wie das Material. Das Material sollte magnetische Eigenschaften haben, die denen des gegebenen Kerns entsprechen.
Feldstärke – H (Oersted) Ein Parameter, der die Größe der Feldstärke charakterisiert. H = .4 π NI/le (Oersted)
Flussdichte – B (Gaussian) Der entsprechende Parameter des induzierten Magnetfelds im Bereich normal zum Flusspfad.
Impedanz – Z (Ohm) Die Impedanz eines Ferrits kann durch seine komplexe Permeabilität ausgedrückt werden. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs“) (Ohm)
Verlustfaktor – ​​tan δ Der Verlustfaktor eines Ferrits ist gleich dem Kehrwert des Stromkreises Q.
Verlustfaktor – tan δ/μi Phasenentfernung zwischen Grundkomponenten der magnetischen Flussdichte und Feldstärke mit anfänglicher Permeabilität.
Magnetische Permeabilität – μ Die magnetische Permeabilität, abgeleitet aus dem Verhältnis der magnetischen Flussdichte und der angelegten Wechselfeldstärke, beträgt…
Amplitudenpermeabilität, μa – wenn der angegebene Wert der Flussdichte größer ist als der für die anfängliche Permeabilität verwendete Wert.
Effektive Permeabilität, μe – Wenn die magnetische Route mit einem oder mehreren Luftspalten aufgebaut ist, ist die Permeabilität die Permeabilität eines hypothetischen homogenen Materials, das den gleichen magnetischen Widerstand bieten würde.
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