Notícies

En el nostre món ideal, la seguretat, la qualitat i el rendiment són primordials. En molts casos, però, el cost del component final, inclosa la ferrita, s'ha convertit en el factor determinant. Aquest article està pensat per ajudar els enginyers de disseny a trobar materials de ferrita alternatius per reduir cost.
Les propietats intrínseques del material desitjades i la geometria del nucli es determinen per cada aplicació específica. Les propietats inherents que regeixen el rendiment en aplicacions de nivell de senyal baix són la permeabilitat (especialment la temperatura), les pèrdues de nucli baixes i una bona estabilitat magnètica al llarg del temps i la temperatura. Les aplicacions inclouen Q alta. inductors, inductors de mode comú, transformadors de banda ampla, adaptats i d'impulsos, elements d'antena de ràdio i repetidors actius i passius. Per a aplicacions de potència, una alta densitat de flux i baixes pèrdues a la freqüència i temperatura de funcionament són característiques desitjables. Les aplicacions inclouen fonts d'alimentació en mode de commutació per a càrrega de bateries de vehicles elèctrics, amplificadors magnètics, convertidors DC-DC, filtres de potència, bobines d'encesa i transformadors.
La propietat intrínseca que té el major impacte en el rendiment de la ferrita suau en aplicacions de supressió és la permeabilitat complexa [1], que és proporcional a la impedància del nucli. Hi ha tres maneres d'utilitzar la ferrita com a supressor de senyals no desitjats (conduïts o radiats). ).El primer, i menys comú, és com a blindatge pràctic, on s'utilitzen ferrites per aïllar conductors, components o circuits de l'entorn del camp electromagnètic dispersat radiant. En la segona aplicació, les ferrites s'utilitzen amb elements capacitius per crear un pas baix. filtre, és a dir, inductància: capacitiu a baixes freqüències i dissipació a altes freqüències. El tercer i més comú ús és quan els nuclis de ferrita s'utilitzen sols per a cables de components o circuits a nivell de placa. En aquesta aplicació, el nucli de ferrita evita qualsevol oscil·lació paràsit i/ o atenua la captació o transmissió del senyal no desitjada que es pot propagar al llarg dels cables o interconnexions dels components, traces o cables. En la segona i tercera aplicacions, els nuclis de ferrita suprimeixen les EMI conduïdes eliminant o reduint en gran mesura els corrents d'alta freqüència extrets per les fonts EMI. La introducció de ferrita proporciona Impedància de freqüència prou alta per suprimir corrents d'alta freqüència. En teoria, una ferrita ideal proporcionaria una alta impedància a freqüències EMI i una impedància zero a totes les altres freqüències. La impedància màxima es pot obtenir entre 10 MHz i 500 MHz depenent del material de ferrita.
Com que és coherent amb els principis de l'enginyeria elèctrica, on la tensió i el corrent de CA es representen per paràmetres complexos, la permeabilitat d'un material es pot expressar com un paràmetre complex format per parts reals i imaginàries. Això es demostra a altes freqüències, on la la permeabilitat es divideix en dos components. La part real (μ') representa la part reactiva, que està en fase amb el camp magnètic altern [2], mentre que la part imaginària (μ") representa les pèrdues, que estan desfasades amb el camp magnètic altern.Aquests es poden expressar com a components en sèrie (μs'μs”) o en component paral·lel (µp'µp”).Els gràfics de les figures 1, 2 i 3 mostren els components en sèrie de la permeabilitat inicial complexa en funció de la freqüència per a tres materials de ferrita.El tipus de material 73 és una ferrita de manganès-zinc, el magnètic inicial La conductivitat és de 2500. El tipus de material 43 és una ferrita de níquel-zinc amb una permeabilitat inicial de 850. El tipus de material 61 és una ferrita de níquel-zinc amb una permeabilitat inicial de 125.
Centrant-nos en el component en sèrie del material tipus 61 de la figura 3, veiem que la part real de la permeabilitat, μs', es manté constant amb l'augment de la freqüència fins que s'assoleix una freqüència crítica, i després disminueix ràpidament. La pèrdua o μs” augmenta. i després assoleix el pic a mesura que cau μs.Aquesta disminució de μs' es deu a l'inici de la ressonància ferrimagnètica.[3] Cal tenir en compte que com més gran sigui la permeabilitat, més menor serà la freqüència.Aquesta relació inversa va ser observada per primera vegada per Snoek i va donar la fórmula següent:
on: ƒres = μs” freqüència al màxim γ = relació giromagnètica = 0,22 x 106 A-1 m μi = permeabilitat inicial Msat = 250-350 Am-1
Com que els nuclis de ferrita utilitzats en aplicacions de baix nivell de senyal i potència se centren en paràmetres magnètics per sota d'aquesta freqüència, els fabricants de ferrita rarament publiquen dades de permeabilitat i/o pèrdua a freqüències més altes. Tanmateix, les dades de freqüència més alta són essencials quan s'especifiquen nuclis de ferrita per a la supressió d'EMI.
La característica que la majoria dels fabricants de ferrita especifiquen per als components utilitzats per a la supressió d'EMI és la impedància. La impedància es mesura fàcilment en un analitzador disponible comercialment amb lectura digital directa. Malauradament, la impedància sol especificar-se a una freqüència específica i és un escalar que representa la magnitud del complex. vector d'impedància. Encara que aquesta informació és valuosa, sovint és insuficient, especialment quan es modela el rendiment del circuit de ferrites. Per aconseguir-ho, cal disposar del valor d'impedància i l'angle de fase del component, o la complexa permeabilitat del material específic.
Però fins i tot abans de començar a modelar el rendiment dels components de ferrita en un circuit, els dissenyadors haurien de saber el següent:
on μ'= part real de la permeabilitat complexa μ”= part imaginària de la permeabilitat complexa j = vector imaginari de la unitat Lo= inductància del nucli d'aire
La impedància del nucli de ferro també es considera la combinació en sèrie de la reactància inductiva (XL) i la resistència a la pèrdua (Rs), ambdues depenen de la freqüència. Un nucli sense pèrdues tindrà una impedància donada per la reactància:
on: Rs = resistència sèrie total = Rm + Re Rm = resistència sèrie equivalent deguda a pèrdues magnètiques Re = resistència sèrie equivalent per pèrdues de coure
A freqüències baixes, la impedància del component és principalment inductiva. A mesura que augmenta la freqüència, la inductància disminueix mentre augmenten les pèrdues i augmenta la impedància total. La figura 4 és una gràfica típica de XL, Rs i Z en funció de la freqüència dels nostres materials de permeabilitat mitjana. .
Aleshores, la reactància inductiva és proporcional a la part real de la permeabilitat complexa, per Lo, la inductància del nucli d'aire:
La resistència a la pèrdua també és proporcional a la part imaginària de la permeabilitat complexa per la mateixa constant:
A l'equació 9, el material del nucli ve donat per µs' i µs”, i la geometria del nucli ve donada per Lo. Per tant, després de conèixer la complexa permeabilitat de les diferents ferrites, es pot fer una comparació per obtenir el material més adequat a l'espai desitjat. freqüència o rang de freqüència. Després d'escollir el millor material, és el moment de triar els components de millor mida. La representació vectorial de la permeabilitat i la impedància complexes es mostra a la figura 5.
La comparació de les formes del nucli i els materials del nucli per a l'optimització de la impedància és senzilla si el fabricant proporciona un gràfic de la permeabilitat complexa en funció de la freqüència dels materials de ferrita recomanats per a aplicacions de supressió. Malauradament, aquesta informació rarament està disponible. No obstant això, la majoria dels fabricants proporcionen permeabilitat inicial i pèrdua en funció de la freqüència. corbes. A partir d'aquestes dades es pot derivar una comparació de materials utilitzats per optimitzar la impedància del nucli.
En referència a la figura 6, el factor de permeabilitat i dissipació inicial [4] del material Fair-Rite 73 en funció de la freqüència, suposant que el dissenyador vol garantir una impedància màxima entre 100 i 900 kHz. Es van seleccionar 73 materials. Per a la modelització, el dissenyador també necessita comprendre les parts reactives i resistives del vector d'impedància a 100 kHz (105 Hz) i 900 kHz. Aquesta informació es pot derivar del següent gràfic:
A 100 kHz μs ' = μi = 2500 i (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 perquè Tan δ = μs ”/ μs' després μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Cal tenir en compte que, com era d'esperar, el μ” afegeix molt poc al vector de permeabilitat total a aquesta baixa freqüència.La impedància del nucli és majoritàriament inductiva.
Els dissenyadors saben que el nucli ha d'acceptar el cable #22 i encaixar en un espai de 10 mm x 5 mm. El diàmetre interior s'especificarà com a 0,8 mm. Per resoldre la impedància estimada i els seus components, primer seleccioneu una perla amb un diàmetre exterior de 10 mm i una alçada de 5 mm:
Z= ωLo (2500,38) = (6,28 x 105) x 0,0461 x log10 (5/,8) x 10 x (2500,38) x 10-8= 5,76 ohms a 100 kHz
En aquest cas, com en la majoria dels casos, la màxima impedància s'aconsegueix utilitzant un OD més petit amb una longitud més llarga. Si el ID és més gran, per exemple, 4 mm, i viceversa.
Es pot utilitzar el mateix enfocament si es proporcionen gràfics d'impedància per unitat Lo i angle de fase en funció de la freqüència. Les figures 9, 10 i 11 representen aquestes corbes per als mateixos tres materials utilitzats aquí.
Els dissenyadors volen garantir la màxima impedància en el rang de freqüències de 25 MHz a 100 MHz. L'espai de la placa disponible torna a ser de 10 mm x 5 mm i el nucli ha d'acceptar un cable # 22 AWG. En referència a la figura 7 per a la impedància de la unitat Lo dels tres materials de ferrita, o Figura 8 per a la permeabilitat complexa dels mateixos tres materials, seleccioneu el material de 850 μi.[5]Utilitzant el gràfic de la figura 9, la Z/Lo del material de permeabilitat mitjana és de 350 x 108 ohms/H a 25 MHz. Resol per a la impedància estimada:
La discussió anterior suposa que el nucli escollit és cilíndric. Si s'utilitzen nuclis de ferrita per a cables de cinta plana, cables agrupats o plaques perforades, el càlcul de Lo es fa més difícil i s'han d'obtenir xifres d'àrea efectiva i longitud del nucli força exactes. per calcular la inductància del nucli d'aire. Això es pot fer tallant matemàticament el nucli i afegint la longitud del camí calculada i l'àrea magnètica per a cada llesca. Tanmateix, en tots els casos, l'augment o disminució de la impedància serà proporcional a l'augment o disminució de l'alçada/longitud del nucli de ferrita.[6]
Com s'ha esmentat, la majoria de fabricants especifiquen nuclis per a aplicacions EMI en termes d'impedància, però l'usuari final normalment necessita conèixer l'atenuació. La relació que existeix entre aquests dos paràmetres és:
Aquesta relació depèn de la impedància de la font que genera el soroll i de la impedància de la càrrega que rep el soroll. Aquests valors solen ser nombres complexos, el rang dels quals pot ser infinit, i no estan fàcilment disponibles per al dissenyador. Escollint un valor de 1 ohm per a les impedàncies de càrrega i font, que es pot produir quan la font és una font d'alimentació en mode de commutació i carrega molts circuits de baixa impedància, simplifica les equacions i permet comparar l'atenuació dels nuclis de ferrita.
El gràfic de la figura 12 és un conjunt de corbes que mostren la relació entre la impedància del taló de blindatge i l'atenuació per a molts valors comuns de càrrega més impedància del generador.
La figura 13 és un circuit equivalent d'una font d'interferència amb una resistència interna de Zs.El senyal d'interferència es genera per la impedància en sèrie Zsc del nucli supressor i la impedància de càrrega ZL.
Les figures 14 i 15 són gràfics d'impedància en funció de la temperatura dels mateixos tres materials de ferrita. El més estable d'aquests materials és el material 61 amb una reducció del 8% de la impedància a 100º C i 100 MHz. En canvi, el material 43 va mostrar un 25 % de caiguda d'impedància a la mateixa freqüència i temperatura. Aquestes corbes, quan es proporcionen, es poden utilitzar per ajustar la impedància de la temperatura ambient especificada si es requereix una atenuació a temperatures elevades.
Igual que amb la temperatura, els corrents d'alimentació de CC i 50 o 60 Hz també afecten les mateixes propietats inherents de ferrita, que al seu torn donen lloc a una impedància del nucli més baixa. Les figures 16, 17 i 18 són corbes típiques que il·lustren l'efecte del biaix sobre la impedància d'un material de ferrita. .Aquesta corba descriu la degradació de la impedància en funció de la intensitat del camp per a un material concret en funció de la freqüència. Cal tenir en compte que l'efecte del biaix disminueix a mesura que augmenta la freqüència.
Des que es van recopilar aquestes dades, Fair-Rite Products ha introduït dos materials nous. El nostre 44 és un material de permeabilitat mitjana de níquel-zinc i el nostre 31 és un material d'alta permeabilitat de manganès-zinc.
La figura 19 és una gràfica de la impedància en funció de la freqüència per a perles de la mateixa mida en materials 31, 73, 44 i 43. El material 44 és un material 43 millorat amb una major resistivitat de CC, 109 ohm cm, millors propietats de xoc tèrmic, estabilitat de temperatura i temperatura de Curie més alta (Tc). El material 44 té característiques d'impedància en comparació amb la freqüència una mica més alta en comparació amb el nostre material 43. El material estacionari 31 presenta una impedància superior a 43 o 44 en tot el rang de freqüències de mesura. El 31 està dissenyat per alleujar la problema de ressonància dimensional que afecta el rendiment de supressió de baixa freqüència dels nuclis de manganès-zinc més grans i s'ha aplicat amb èxit als nuclis de supressió de connectors de cable i a nuclis toroidals grans. -Nuclis Rite amb 0,562″ OD, 0,250 ID i 1,125 HT.En comparar la figura 19 i la figura 20, cal tenir en compte que per a nuclis més petits, per a freqüències de fins a 25 MHz, el material 73 és el millor material supresor.Tanmateix, a mesura que augmenta la secció transversal del nucli, la freqüència màxima disminueix.Com es mostra a les dades de la figura 20, 73 és el millor. La freqüència més alta és de 8 MHz.També val la pena assenyalar que el material 31 funciona bé en el rang de freqüències de 8 MHz a 300 MHz.Tanmateix, com a ferrita de manganès-zinc, el material 31 té una resistivitat de volum molt més baixa de 102 ohms -cm, i més canvis d'impedància amb canvis de temperatura extrems.
Glossari Inductància del nucli d'aire – Lo (H) La inductància que es mesuraria si el nucli tingués una permeabilitat uniforme i la distribució del flux es mantingués constant. Fórmula general Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Anell Lo = .0461 N2 log10 (OD) /ID) Ht 10-8 (H) Les dimensions són en mm
Atenuació – A (dB) La reducció de l'amplitud del senyal en la transmissió d'un punt a un altre. És una relació escalar entre l'amplitud d'entrada i l'amplitud de sortida, en decibels.
Constant del nucli – C1 (cm-1) La suma de les longituds del camí magnètic de cada secció del circuit magnètic dividida per la regió magnètica corresponent de la mateixa secció.
Constant del nucli – C2 (cm-3) La suma de les longituds del circuit magnètic de cada secció del circuit magnètic dividida pel quadrat del domini magnètic corresponent de la mateixa secció.
Les dimensions efectives de l'àrea del camí magnètic Ae (cm2), la longitud del camí le (cm) i el volum Ve (cm3) Per a una geometria del nucli donada, se suposa que la longitud del camí magnètic, l'àrea de la secció transversal i el volum de el nucli toroidal té les mateixes propietats del material que el material ha de tenir propietats magnètiques equivalents al nucli donat.
Intensitat de camp - H (Oersted) Paràmetre que caracteritza la magnitud de la intensitat de camp. H = .4 π NI/le (Oersted)
Densitat de flux – B (Gaussià) El paràmetre corresponent del camp magnètic induït a la regió normal al camí del flux.
Impedància – Z (ohm) La impedància d'una ferrita es pot expressar en termes de la seva permeabilitat complexa.Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Tangent de pèrdua - ​​tan δ La tangent de pèrdua d'una ferrita és igual a la inversa del circuit Q.
Factor de pèrdua: tan δ/μi Eliminació de fases entre els components fonamentals de la densitat del flux magnètic i la intensitat del camp amb permeabilitat inicial.
Permeabilitat magnètica - μ La permeabilitat magnètica derivada de la relació entre la densitat del flux magnètic i la intensitat del camp altern aplicada és...
Permeabilitat d'amplitud, μa: quan el valor especificat de la densitat de flux és superior al valor utilitzat per a la permeabilitat inicial.
Permeabilitat efectiva, μe - Quan la ruta magnètica es construeix amb un o més espais d'aire, la permeabilitat és la permeabilitat d'un material homogeni hipotètic que proporcionaria la mateixa reticència.
In Compliance és la principal font de notícies, informació, educació i inspiració per als professionals de l'enginyeria elèctrica i electrònica.
Aeroespacial Automoció Comunicacions Electrònica de consum Educació Energia i energia Indústria Tecnologies de la informació Medicina Militar i Defensa