aktualności

W naszym idealnym świecie bezpieczeństwo, jakość i wydajność są najważniejsze. Jednak w wielu przypadkach koszt końcowego komponentu, w tym ferrytu, stał się czynnikiem decydującym. Ten artykuł ma pomóc inżynierom-projektantom w znalezieniu alternatywnych materiałów ferrytowych w celu zmniejszenia koszt.
Pożądane wewnętrzne właściwości materiału i geometria rdzenia są określane dla każdego konkretnego zastosowania. Nieodłączne właściwości decydujące o wydajności w zastosowaniach o niskim poziomie sygnału to przepuszczalność (zwłaszcza temperatura), niskie straty w rdzeniu oraz dobra stabilność magnetyczna w czasie i temperaturze. Zastosowania obejmują wysokie Q cewki indukcyjne, cewki współbieżne, transformatory szerokopasmowe, dopasowane i impulsowe, elementy anten radiowych oraz aktywne i pasywne wzmacniacze. W zastosowaniach energetycznych pożądana jest wysoka gęstość strumienia i niskie straty przy częstotliwości roboczej i temperaturze. Zastosowania obejmują zasilacze impulsowe do ładowanie akumulatorów pojazdów elektrycznych, wzmacniacze magnetyczne, przetwornice DC-DC, filtry mocy, cewki zapłonowe i transformatory.
Właściwością wewnętrzną, która ma największy wpływ na wydajność miękkiego ferrytu w zastosowaniach tłumiących, jest złożona przepuszczalność [1], która jest proporcjonalna do impedancji rdzenia. Istnieją trzy sposoby wykorzystania ferrytu jako tłumika niepożądanych sygnałów (przewodzonych lub promieniowanych ).Pierwszy i najmniej powszechny to praktyczny ekran, w którym ferryty służą do izolowania przewodów, komponentów lub obwodów od środowiska promieniującego rozproszonego pola elektromagnetycznego. W drugim zastosowaniu ferryty są używane z elementami pojemnościowymi w celu utworzenia dolnoprzepustowego filtr, tj. indukcyjność – pojemnościowa przy niskich częstotliwościach i rozpraszanie przy wysokich częstotliwościach. Trzecie i najczęstsze zastosowanie ma miejsce, gdy rdzenie ferrytowe są używane samodzielnie w przewodach komponentów lub obwodach na poziomie płytki. W tym zastosowaniu rdzeń ferrytowy zapobiega wszelkim pasożytniczym oscylacjom i/ lub tłumi niechciany odbiór lub transmisję sygnału, który może rozprzestrzeniać się wzdłuż przewodów komponentów lub połączeń wzajemnych, ścieżek lub kabli. W drugim i trzecim zastosowaniu rdzenie ferrytowe tłumią przewodzone zakłócenia elektromagnetyczne poprzez eliminację lub znaczne ograniczenie prądów o wysokiej częstotliwości pobieranych przez źródła zakłóceń elektromagnetycznych. Wprowadzenie ferrytu zapewnia impedancja częstotliwościowa wystarczająco wysoka, aby tłumić prądy o wysokiej częstotliwości. Teoretycznie idealny ferryt zapewniałby wysoką impedancję przy częstotliwościach EMI i zerową impedancję przy wszystkich innych częstotliwościach. W efekcie ferrytowe rdzenie tłumiące zapewniają impedancję zależną od częstotliwości. Przy częstotliwościach poniżej 1 MHz, maksymalną impedancję można uzyskać w zakresie od 10 MHz do 500 MHz, w zależności od materiału ferrytowego.
Ponieważ jest to zgodne z zasadami elektrotechniki, gdzie napięcie i prąd przemienny są reprezentowane przez złożone parametry, przepuszczalność materiału można wyrazić jako złożony parametr składający się z części rzeczywistych i urojonych. Wykazano to przy wysokich częstotliwościach, gdzie przepuszczalność dzieli się na dwie składowe. Część rzeczywista (μ') reprezentuje część reaktywną, która jest w fazie ze zmiennym polem magnetycznym [2], natomiast część urojona (μ") reprezentuje straty, które nie są w fazie z przemiennym polem magnetycznym zmienne pole magnetyczne. Można je wyrazić jako składowe szeregowe (μs'μs”) lub składowe równoległe (µp'µp”). Wykresy na rysunkach 1, 2 i 3 przedstawiają składowe szeregowe złożonej początkowej przepuszczalności w funkcji częstotliwości dla trzech materiałów ferrytowych. Materiał typu 73 to ferryt manganowo-cynkowy, początkowy magnetyczny. Przewodność wynosi 2500. Materiał typu 43 to ferryt niklowo-cynkowy o początkowej przepuszczalności 850. Materiał typu 61 to ferryt niklowo-cynkowy o początkowej przepuszczalności 125.
Koncentrując się na składniku szeregowym materiału typu 61 na rysunku 3, widzimy, że rzeczywista część przepuszczalności, μs', pozostaje stała wraz ze wzrostem częstotliwości, aż do osiągnięcia częstotliwości krytycznej, a następnie gwałtownie maleje. Strata lub μs” wzrasta a następnie osiąga szczyt wraz ze spadkiem μs. Ten spadek μs wynika z pojawienia się rezonansu ferrimagnetycznego. [3] Należy zauważyć, że im wyższa przepuszczalność, tym większa. Im niższa częstotliwość. Tę odwrotną zależność po raz pierwszy zaobserwował Snoek i podał następujący wzór:
gdzie: ƒres = μs” częstotliwość przy maksimum γ = współczynnik żyromagnetyczny = 0,22 x 106 A-1 m μi = przepuszczalność początkowa Msat = 250-350 Am-1
Ponieważ rdzenie ferrytowe stosowane w zastosowaniach o niskim poziomie sygnału i mocy skupiają się na parametrach magnetycznych poniżej tej częstotliwości, producenci ferrytów rzadko publikują dane dotyczące przepuszczalności i/lub strat przy wyższych częstotliwościach. Jednakże dane o wyższej częstotliwości są niezbędne przy określaniu specyfikacji rdzeni ferrytowych do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych.
Cechą, którą większość producentów ferrytu określa dla komponentów stosowanych do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych, jest impedancja. Impedancję można łatwo zmierzyć za pomocą dostępnego na rynku analizatora z bezpośrednim odczytem cyfrowym. Niestety, impedancja jest zwykle określana dla określonej częstotliwości i jest skalarem reprezentującym wielkość kompleksu wektor impedancji. Chociaż informacja ta jest cenna, często jest niewystarczająca, zwłaszcza przy modelowaniu wydajności obwodu z ferrytami. Aby to osiągnąć, musi być dostępna wartość impedancji i kąt fazowy elementu lub złożona przepuszczalność określonego materiału.
Jednak nawet przed rozpoczęciem modelowania działania elementów ferrytowych w obwodzie projektanci powinni wiedzieć, co następuje:
gdzie μ'= część rzeczywista zespolonej przepuszczalności μ”= urojona część zespolonej przepuszczalności j = urojony wektor jednostki Lo= indukcyjność rdzenia powietrznego
Impedancję żelaznego rdzenia uważa się również za szeregową kombinację reaktancji indukcyjnej (XL) i rezystancji strat (Rs), z których oba zależą od częstotliwości. Bezstratny rdzeń będzie miał impedancję określoną przez reaktancję:
gdzie: Rs = całkowita rezystancja szeregowa = Rm + Re Rm = zastępcza rezystancja szeregowa ze względu na straty magnetyczne Re = zastępcza rezystancja szeregowa ze względu na straty miedzi
Przy niskich częstotliwościach impedancja elementu ma głównie charakter indukcyjny. Wraz ze wzrostem częstotliwości indukcyjność maleje, podczas gdy straty rosną, a całkowita impedancja wzrasta. Rysunek 4 to typowy wykres XL, Rs i Z w funkcji częstotliwości dla naszych materiałów o średniej przepuszczalności .
Wtedy reaktancja indukcyjna jest proporcjonalna do rzeczywistej części zespolonej przepuszczalności, przez Lo, indukcyjność rdzenia powietrznego:
Odporność na straty jest również proporcjonalna do urojonej części złożonej przepuszczalności przy tej samej stałej:
W równaniu 9 materiał rdzenia jest określony w µs' i µs”, a geometria rdzenia jest podana przez Lo. Dlatego też, znając złożoną przepuszczalność różnych ferrytów, można dokonać porównania w celu uzyskania najbardziej odpowiedniego materiału przy pożądanym częstotliwości lub zakresu częstotliwości. Po wybraniu najlepszego materiału nadszedł czas na wybór komponentów o najlepszym rozmiarze. Wektorową reprezentację złożonej przepuszczalności i impedancji pokazano na rysunku 5.
Porównanie kształtów rdzenia i materiałów rdzenia w celu optymalizacji impedancji jest proste, jeśli producent dostarczy wykres złożonej przepuszczalności w funkcji częstotliwości dla materiałów ferrytowych zalecanych do zastosowań tłumiących. Niestety, informacja ta jest rzadko dostępna. Jednakże większość producentów podaje początkową przepuszczalność i stratę w funkcji częstotliwości krzywe. Z tych danych można uzyskać porównanie materiałów użytych do optymalizacji impedancji rdzenia.
Odnosząc się do rysunku 6, początkowy współczynnik przepuszczalności i rozproszenia [4] materiału Fair-Rite 73 w funkcji częstotliwości, przy założeniu, że projektant chce zagwarantować maksymalną impedancję w zakresie od 100 do 900 kHz. Wybrano materiały 73. Do celów modelowania projektant również musi znać reaktywną i rezystancyjną część wektora impedancji przy 100 kHz (105 Hz) i 900 kHz. Informacje te można uzyskać z poniższego wykresu:
Przy 100 kHz μs ' = μi = 2500 i (Tan δ / μi) = 7 x 10-6, ponieważ Tan δ = μs ”/ μs' wtedy μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Należy zauważyć, że zgodnie z oczekiwaniami μ” dodaje bardzo niewiele do wektora całkowitej przepuszczalności przy tak niskiej częstotliwości. Impedancja rdzenia jest w większości indukcyjna.
Projektanci wiedzą, że rdzeń musi pomieścić drut nr 22 i zmieścić się w przestrzeni o wymiarach 10 mm x 5 mm. Średnica wewnętrzna zostanie określona jako 0,8 mm. Aby obliczyć szacunkową impedancję i jej składowe, najpierw wybierz koralik o średnicy zewnętrznej 10 mm i wysokość 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 oma przy 100 kHz
W tym przypadku, jak w większości przypadków, maksymalną impedancję osiąga się stosując mniejszą średnicę zewnętrzną i dłuższą długość. Jeśli średnica wewnętrzna jest większa, np. 4mm, i odwrotnie.
To samo podejście można zastosować, jeśli zapewnione zostaną wykresy impedancji na jednostkę Lo i kąta fazowego w funkcji częstotliwości. Rysunki 9, 10 i 11 przedstawiają takie krzywe dla tych samych trzech użytych tutaj materiałów.
Projektanci chcą zagwarantować maksymalną impedancję w zakresie częstotliwości od 25 MHz do 100 MHz. Dostępna przestrzeń na płytce wynosi ponownie 10 mm x 5 mm, a rdzeń musi pomieścić przewód #22 awg. Odnosząc się do rysunku 7, aby zapoznać się z impedancją jednostkową Lo trzech materiałów ferrytowych, lub Rysunek 8 przedstawiający złożoną przepuszczalność tych samych trzech materiałów, wybierz materiał o grubości 850 μi.[5] Korzystając z wykresu na rysunku 9, Z/Lo materiału o średniej przepuszczalności wynosi 350 x 108 omów/H przy 25 MHz. Oblicz szacunkową impedancję:
W poprzedniej dyskusji założono, że wybrany rdzeń jest cylindryczny. Jeśli rdzenie ferrytowe są stosowane w płaskich kablach taśmowych, wiązkach kabli lub płytach perforowanych, obliczenie Lo staje się trudniejsze i należy uzyskać dość dokładne dane dotyczące długości ścieżki rdzenia i powierzchni efektywnej aby obliczyć indukcyjność rdzenia powietrznego. Można to zrobić matematycznie przecinając rdzeń i dodając obliczoną długość ścieżki i powierzchnię magnetyczną dla każdego plasterka. Jednakże we wszystkich przypadkach wzrost lub spadek impedancji będzie proporcjonalny do wzrostu lub spadku wysokość/długość rdzenia ferrytowego.[6]
Jak wspomniano, większość producentów określa rdzenie do zastosowań EMI pod względem impedancji, ale użytkownik końcowy zwykle musi znać tłumienie. Zależność istniejąca pomiędzy tymi dwoma parametrami jest następująca:
Zależność ta zależy od impedancji źródła generującego szum oraz impedancji obciążenia odbierającego szum. Wartości te są zazwyczaj liczbami zespolonymi, których zakres może być nieskończony i nie są łatwo dostępne dla projektanta. Wybierając wartość 1 om dla impedancji obciążenia i źródła, co może wystąpić, gdy źródłem jest zasilacz impulsowy i ładuje wiele obwodów o niskiej impedancji, upraszcza równania i umożliwia porównanie tłumienia rdzeni ferrytowych.
Wykres na rysunku 12 to zestaw krzywych pokazujących zależność między impedancją koralika ekranującego a tłumieniem dla wielu typowych wartości obciążenia i impedancji generatora.
Rysunek 13 przedstawia obwód zastępczy źródła zakłóceń o rezystancji wewnętrznej Zs. Sygnał zakłócający generowany jest przez impedancję szeregową Zsc rdzenia tłumiącego i impedancję obciążenia ZL.
Ryciny 14 i 15 przedstawiają wykresy impedancji w funkcji temperatury dla tych samych trzech materiałów ferrytowych. Najbardziej stabilny z tych materiałów jest materiał 61 z 8% redukcją impedancji w temperaturze 100°C i 100 MHz. Natomiast materiał 43 wykazał 25 % spadku impedancji przy tej samej częstotliwości i temperaturze. Krzywe te, jeśli są dostępne, można wykorzystać do regulacji określonej impedancji w temperaturze pokojowej, jeśli wymagane jest tłumienie w podwyższonych temperaturach.
Podobnie jak w przypadku temperatury, prądy zasilające DC i 50 lub 60 Hz również wpływają na te same nieodłączne właściwości ferrytu, co z kolei skutkuje niższą impedancją rdzenia. Rysunki 16, 17 i 18 to typowe krzywe ilustrujące wpływ polaryzacji na impedancję materiału ferrytowego Krzywa ta opisuje degradację impedancji jako funkcję natężenia pola dla konkretnego materiału w funkcji częstotliwości. Należy zauważyć, że wpływ polaryzacji maleje wraz ze wzrostem częstotliwości.
Od czasu zebrania tych danych firma Fair-Rite Products wprowadziła dwa nowe materiały. Nasz 44 to materiał o średniej przepuszczalności niklu i cynku, a nasz 31 to materiał o wysokiej przepuszczalności manganu i cynku.
Rysunek 19 to wykres impedancji w funkcji częstotliwości dla kulek tego samego rozmiaru z materiałów 31, 73, 44 i 43. Materiał 44 to ulepszony materiał 43 o wyższej rezystywności DC, 109 om cm, lepszych właściwościach szoku termicznego, stabilności temperaturowej i wyższa temperatura Curie (Tc). Materiał 44 ma nieco wyższą charakterystykę impedancji w funkcji częstotliwości w porównaniu z naszym materiałem 43. Stacjonarny materiał 31 wykazuje wyższą impedancję niż 43 lub 44 w całym zakresie częstotliwości pomiaru. Materiał 31 ma na celu złagodzenie problem rezonansu wymiarowego, który wpływa na skuteczność tłumienia niskich częstotliwości w przypadku większych rdzeni manganowo-cynkowych i został z powodzeniem zastosowany do rdzeni tłumiących złączy kablowych i dużych rdzeni toroidalnych. Rysunek 20 przedstawia wykres impedancji w funkcji częstotliwości dla materiałów 43, 31 i 73 dla Fair -Rdzenie Rite o średnicy zewnętrznej 0,562″, średnicy wewnętrznej 0,250 i 1,125 HT. Porównując rysunki 19 i 20, należy zauważyć, że dla mniejszych rdzeni, dla częstotliwości do 25 MHz, najlepszym materiałem tłumiącym jest materiał 73. Jednakże wraz ze wzrostem przekroju rdzenia maksymalna częstotliwość maleje. Jak pokazują dane na rysunku 20, najlepsza jest częstotliwość 73. Najwyższa częstotliwość to 8 MHz. Warto również dodać, że materiał 31 dobrze radzi sobie w zakresie częstotliwości od 8 MHz do 300 MHz. Jednakże, jako ferryt manganowo-cynkowy, materiał 31 ma znacznie niższą rezystywność objętościową wynoszącą 102 om-cm i więcej zmian impedancji przy ekstremalnych zmianach temperatury.
Słowniczek Indukcyjność rdzenia powietrznego – Lo (H) Indukcyjność, która zostałaby zmierzona, gdyby rdzeń miał równomierną przepuszczalność, a rozkład strumienia pozostał stały. Wzór ogólny Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Pierścień Lo = 0,0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Wymiary podano w mm
Tłumienie – A (dB) Zmniejszenie amplitudy sygnału podczas transmisji z jednego punktu do drugiego. Jest to skalarny stosunek amplitudy wejściowej do amplitudy wyjściowej, w decybelach.
Stała rdzenia – C1 (cm-1) Suma długości ścieżek magnetycznych każdej sekcji obwodu magnetycznego podzielona przez odpowiedni obszar magnetyczny tej samej sekcji.
Stała rdzenia – C2 (cm-3) Suma długości obwodów magnetycznych każdej sekcji obwodu magnetycznego podzielona przez kwadrat odpowiedniej domeny magnetycznej tej samej sekcji.
Efektywne wymiary pola ścieżki magnetycznej Ae (cm2), długości ścieżki le (cm) i objętości Ve (cm3) Dla danej geometrii rdzenia przyjmuje się, że długość ścieżki magnetycznej, pole przekroju poprzecznego i objętość rdzeń toroidalny ma takie same właściwości materiałowe jak Materiał powinien mieć właściwości magnetyczne równoważne danemu rdzeniowi.
Natężenie pola – H (Oersted) Parametr charakteryzujący wielkość natężenia pola.H = .4 π NI/le (Oersted)
Gęstość strumienia – B (Gaussian) Odpowiedni parametr indukowanego pola magnetycznego w obszarze normalnym do ścieżki strumienia.
Impedancja – Z (om) Impedancję ferrytu można wyrazić w kategoriach jego zespolonej przepuszczalności. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (om)
Tangens strat – ​​tan δ Tangens strat ferrytu jest równy odwrotności obwodu Q.
Współczynnik strat – tan δ/μi Usuwanie fazy pomiędzy podstawowymi składowymi gęstości strumienia magnetycznego i natężenia pola przy początkowej przepuszczalności.
Przepuszczalność magnetyczna – μ Przepuszczalność magnetyczna obliczona ze stosunku gęstości strumienia magnetycznego i przyłożonego natężenia pola zmiennego wynosi…
Przepuszczalność amplitudowa, μa – gdy określona wartość gęstości strumienia jest większa od wartości przyjętej dla przepuszczalności początkowej.
Efektywna przepuszczalność, μe – gdy trasa magnetyczna jest zbudowana z jedną lub większą liczbą szczelin powietrznych, przepuszczalność to przepuszczalność hipotetycznego jednorodnego materiału, który zapewniałby tę samą niechęć.
In Compliance to najważniejsze źródło wiadomości, informacji, edukacji i inspiracji dla specjalistów z zakresu inżynierii elektrycznej i elektronicznej.
Lotnictwo i kosmonautyka Motoryzacja Komunikacja Elektronika użytkowa Edukacja Energia i energetyka Technologie informacyjne Medycyna Wojsko i obrona