nieuws

In onze ideale wereld staan ​​veiligheid, kwaliteit en prestaties voorop. In veel gevallen zijn echter de kosten van het laatste onderdeel, inclusief het ferriet, de bepalende factor geworden. Dit artikel is bedoeld om ontwerpingenieurs te helpen alternatieve ferrietmaterialen te vinden om de hoeveelheid ferriet te verminderen kosten.
De gewenste intrinsieke materiaaleigenschappen en kerngeometrie worden bepaald door elke specifieke toepassing. Inherente eigenschappen die de prestaties bepalen bij toepassingen met een laag signaalniveau zijn permeabiliteit (vooral temperatuur), lage kernverliezen en goede magnetische stabiliteit in de loop van de tijd en temperatuur. Toepassingen omvatten hoge Q inductoren, common-mode-inductoren, breedband-, matched- en pulstransformatoren, radioantenne-elementen en actieve en passieve repeaters. Voor stroomtoepassingen zijn een hoge fluxdichtheid en lage verliezen bij werkfrequentie en temperatuur wenselijke kenmerken. Toepassingen omvatten schakelende voedingen voor het opladen van de accu van elektrische voertuigen, magnetische versterkers, DC-DC-converters, vermogensfilters, bobines en transformatoren.
De intrinsieke eigenschap die de grootste invloed heeft op de prestaties van zacht ferriet bij onderdrukkingstoepassingen is de complexe permeabiliteit [1], die evenredig is met de impedantie van de kern. Er zijn drie manieren om ferriet te gebruiken als onderdrukker van ongewenste signalen (geleid of uitgestraald). De eerste, en minst gebruikelijke, is als praktisch schild, waarbij ferrieten worden gebruikt om geleiders, componenten of circuits te isoleren van de omgeving met uitgestraalde elektromagnetische velden. In de tweede toepassing worden ferrieten gebruikt met capacitieve elementen om een ​​low-pass te creëren filter, dwz inductantie – capacitief bij lage frequenties en dissipatie bij hoge frequenties. Het derde en meest voorkomende gebruik is wanneer ferrietkernen alleen worden gebruikt voor componentkabels of circuits op bordniveau. In deze toepassing voorkomt de ferrietkern parasitaire oscillaties en/of of verzwakt ongewenste signaalopname of -transmissie die zich langs componentdraden of verbindingen, sporen of kabels kan voortplanten. In de tweede en derde toepassing onderdrukken ferrietkernen geleide EMI door hoogfrequente stromen die door EMI-bronnen worden getrokken te elimineren of sterk te verminderen. De introductie van ferriet biedt De frequentie-impedantie is hoog genoeg om hoogfrequente stromen te onderdrukken. In theorie zou een ideaal ferriet een hoge impedantie bieden bij EMI-frequenties en nul-impedantie bij alle andere frequenties. In feite bieden ferrietonderdrukkingskernen een frequentieafhankelijke impedantie. Bij frequenties onder 1 MHz levert de maximale impedantie kan worden verkregen tussen 10 MHz en 500 MHz, afhankelijk van het ferrietmateriaal.
Omdat het consistent is met de principes van de elektrotechniek, waar AC-spanning en -stroom worden weergegeven door complexe parameters, kan de permeabiliteit van een materiaal worden uitgedrukt als een complexe parameter die bestaat uit reële en denkbeeldige delen. Dit wordt gedemonstreerd bij hoge frequenties, waar de de permeabiliteit splitst zich in twee componenten. Het reële deel (μ') vertegenwoordigt het reactieve deel, dat in fase is met het wisselende magnetische veld [2], terwijl het imaginaire deel (μ") de verliezen vertegenwoordigt, die uit fase zijn met het magnetische wisselveld. wisselend magnetisch veld. Deze kunnen worden uitgedrukt als seriecomponenten (μs'μs”) of in parallelle componenten (μp'μp”). De grafieken in figuren 1, 2 en 3 tonen de seriecomponenten van de complexe initiële permeabiliteit als functie van de frequentie voor drie ferrietmaterialen. Materiaaltype 73 is een mangaan-zinkferriet, de initiële magnetische geleidbaarheid is 2500. Materiaaltype 43 is een nikkel-zinkferriet met een initiële permeabiliteit van 850. Materiaaltype 61 is een nikkel-zinkferriet met een initiële permeabiliteit van 125.
Als we ons concentreren op de seriecomponent van het Type 61-materiaal in Figuur 3, zien we dat het reële deel van de permeabiliteit, μs', constant blijft bij toenemende frequentie totdat een kritische frequentie wordt bereikt, en vervolgens snel afneemt. Het verlies of μs' stijgt en piekt dan als μs' daalt. Deze afname in μs' is te wijten aan het begin van ferrimagnetische resonantie. [3] Opgemerkt moet worden dat hoe hoger de permeabiliteit, hoe lager de frequentie. Deze omgekeerde relatie werd voor het eerst waargenomen door Snoek en leverde de volgende formule op:
waarbij: ƒres = μs” frequentie bij maximum γ = gyromagnetische verhouding = 0,22 x 106 A-1 m μi = initiële permeabiliteit Msat = 250-350 Am-1
Omdat ferrietkernen die worden gebruikt in toepassingen met een laag signaalniveau en vermogen zich richten op magnetische parameters onder deze frequentie, publiceren ferrietfabrikanten zelden gegevens over permeabiliteit en/of verlies bij hogere frequenties. Gegevens over hogere frequenties zijn echter essentieel bij het specificeren van ferrietkernen voor EMI-onderdrukking.
Het kenmerk dat de meeste ferrietfabrikanten specificeren voor componenten die worden gebruikt voor EMI-onderdrukking is impedantie. Impedantie kan eenvoudig worden gemeten op een in de handel verkrijgbare analysator met directe digitale uitlezing. Helaas wordt impedantie meestal gespecificeerd op een specifieke frequentie en is deze een scalair die de omvang van het complex vertegenwoordigt. impedantievector. Hoewel deze informatie waardevol is, is deze vaak onvoldoende, vooral bij het modelleren van de circuitprestaties van ferrieten. Om dit te bereiken moeten de impedantiewaarde en fasehoek van de component, of de complexe permeabiliteit van het specifieke materiaal, beschikbaar zijn.
Maar zelfs voordat ze de prestaties van ferrietcomponenten in een circuit gaan modelleren, moeten ontwerpers het volgende weten:
waarbij μ'= reëel deel van complexe permeabiliteit μ”= denkbeeldig deel van complexe permeabiliteit j = denkbeeldige vector van eenheid Lo= luchtkerninductantie
De impedantie van de ijzeren kern wordt ook beschouwd als de seriecombinatie van de inductieve reactantie (XL) en de verliesweerstand (Rs), die beide frequentieafhankelijk zijn. Een verliesloze kern zal een impedantie hebben die wordt gegeven door de reactantie:
waarbij: Rs = totale serieweerstand = Rm + Re Rm = equivalente serieweerstand als gevolg van magnetische verliezen Re = equivalente serieweerstand voor koperverliezen
Bij lage frequenties is de impedantie van de component voornamelijk inductief. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de inductantie af, terwijl de verliezen toenemen en de totale impedantie toeneemt. Figuur 4 is een typisch diagram van XL, Rs en Z versus frequentie voor onze materialen met gemiddelde permeabiliteit .
Dan is de inductieve reactantie evenredig met het reële deel van de complexe permeabiliteit, door Lo, de luchtkerninductantie:
De verliesweerstand is ook evenredig met het denkbeeldige deel van de complexe permeabiliteit met dezelfde constante:
In vergelijking 9 wordt het kernmateriaal gegeven door µs' en µs”, en de kerngeometrie wordt gegeven door Lo. Daarom kan, na kennis te hebben genomen van de complexe permeabiliteit van verschillende ferrieten, een vergelijking worden gemaakt om het meest geschikte materiaal bij de gewenste temperatuur te verkrijgen. frequentie of frequentiebereik. Nadat u het beste materiaal heeft gekozen, is het tijd om de componenten met de beste maat te kiezen. De vectorweergave van complexe permeabiliteit en impedantie wordt weergegeven in figuur 5.
Vergelijking van kernvormen en kernmaterialen voor impedantie-optimalisatie is eenvoudig als de fabrikant een grafiek levert van de complexe permeabiliteit versus frequentie voor ferrietmaterialen die worden aanbevolen voor onderdrukkingstoepassingen. Helaas is deze informatie zelden beschikbaar. De meeste fabrikanten bieden echter initiële permeabiliteit en verlies versus frequentie curven. Uit deze gegevens kan een vergelijking worden afgeleid van materialen die worden gebruikt om de kernimpedantie te optimaliseren.
Verwijzend naar Figuur 6, de initiële permeabiliteit en dissipatiefactor [4] van Fair-Rite 73-materiaal versus frequentie, ervan uitgaande dat de ontwerper een maximale impedantie tussen 100 en 900 kHz wil garanderen. Er zijn 73 materialen geselecteerd. Voor modelleringsdoeleinden heeft de ontwerper ook moet de reactieve en resistieve delen van de impedantievector bij 100 kHz (105 Hz) en 900 kHz begrijpen. Deze informatie kan worden afgeleid uit de volgende grafiek:
Bij 100 kHz μs ' = μi = 2500 en (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 omdat Tan δ = μs ”/ μs' dan μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Opgemerkt moet worden dat, zoals verwacht, de μ” bij deze lage frequentie zeer weinig toevoegt aan de totale permeabiliteitsvector. De impedantie van de kern is grotendeels inductief.
Ontwerpers weten dat de kern nr. 22 draad moet accepteren en in een ruimte van 10 mm x 5 mm moet passen. De binnendiameter wordt gespecificeerd als 0,8 mm. Om de geschatte impedantie en de componenten ervan op te lossen, selecteert u eerst een kraal met een buitendiameter van 10 mm en een hoogte van 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 bij 100 kHz
In dit geval wordt, zoals in de meeste gevallen, de maximale impedantie bereikt door een kleinere buitendiameter met een langere lengte te gebruiken. Als de binnendiameter groter is, bijvoorbeeld 4 mm, en omgekeerd.
Dezelfde aanpak kan worden gebruikt als grafieken van impedantie per eenheid Lo en fasehoek versus frequentie worden verstrekt. Figuren 9, 10 en 11 vertegenwoordigen dergelijke curven voor dezelfde drie materialen die hierin worden gebruikt.
Ontwerpers willen maximale impedantie garanderen over het frequentiebereik van 25 MHz tot 100 MHz. De beschikbare kaartruimte is opnieuw 10 mm x 5 mm en de kern moet # 22 awg-draad accepteren. Verwijzend naar Figuur 7 voor de eenheidsimpedantie Lo van de drie ferrietmaterialen, of Figuur 8 voor de complexe permeabiliteit van dezelfde drie materialen, selecteer het materiaal van 850 μi. Met behulp van de grafiek in Figuur 9 is de Z/Lo van het materiaal met gemiddelde permeabiliteit 350 x 108 ohm/H bij 25 MHz. Los de geschatte impedantie op:
In de voorgaande discussie wordt ervan uitgegaan dat de gekozen kern cilindrisch is. Als ferrietkernen worden gebruikt voor platte lintkabels, gebundelde kabels of geperforeerde platen, wordt de berekening van Lo moeilijker en moeten redelijk nauwkeurige kernpadlengtes en effectieve oppervlaktecijfers worden verkregen. om de luchtkerninductantie te berekenen. Dit kan worden gedaan door de kern wiskundig in plakjes te snijden en de berekende padlengte en het magnetische gebied voor elke plak op te tellen. In alle gevallen zal de toename of afname van de impedantie echter evenredig zijn met de toename of afname van de hoogte/lengte van de ferrietkern.[6]
Zoals gezegd specificeren de meeste fabrikanten kernen voor EMI-toepassingen in termen van impedantie, maar de eindgebruiker moet meestal de verzwakking kennen. De relatie die bestaat tussen deze twee parameters is:
Deze relatie hangt af van de impedantie van de bron die de ruis genereert en de impedantie van de belasting die de ruis ontvangt. Deze waarden zijn meestal complexe getallen, waarvan het bereik oneindig kan zijn, en zijn niet direct beschikbaar voor de ontwerper. 1 ohm voor de belasting- en bronimpedanties, die kunnen optreden als de bron een schakelende voeding is en veel circuits met lage impedantie belast, vereenvoudigt de vergelijkingen en maakt vergelijking van de verzwakking van ferrietkernen mogelijk.
De grafiek in Figuur 12 is een reeks curven die de relatie tonen tussen de impedantie van de schermkraal en de verzwakking voor veel gebruikelijke waarden van belasting plus generatorimpedantie.
Figuur 13 is een equivalent circuit van een interferentiebron met een interne weerstand van Zs. Het stoorsignaal wordt gegenereerd door de serie-impedantie Zsc van de ontstoringskern en de belastingsimpedantie ZL.
Figuren 14 en 15 zijn grafieken van impedantie versus temperatuur voor dezelfde drie ferrietmaterialen. Het meest stabiele van deze materialen is het 61-materiaal met een reductie van 8% in impedantie bij 100ºC en 100 MHz. Het 43-materiaal vertoonde daarentegen een 25 % daling van de impedantie bij dezelfde frequentie en temperatuur. Deze curven kunnen, indien aanwezig, worden gebruikt om de gespecificeerde impedantie van de kamertemperatuur aan te passen als verzwakking bij verhoogde temperaturen vereist is.
Net als bij temperatuur beïnvloeden DC en 50 of 60 Hz voedingsstromen ook dezelfde inherente ferrieteigenschappen, die op hun beurt resulteren in een lagere kernimpedantie. Figuren 16, 17 en 18 zijn typische curven die het effect van bias op de impedantie van ferrietmateriaal illustreren Deze curve beschrijft de verslechtering van de impedantie als een functie van de veldsterkte voor een bepaald materiaal als een functie van de frequentie. Opgemerkt moet worden dat het effect van de bias afneemt naarmate de frequentie toeneemt.
Sinds deze gegevens zijn verzameld, heeft Fair-Rite Products twee nieuwe materialen geïntroduceerd. Onze 44 is een nikkel-zink materiaal met gemiddelde doorlaatbaarheid en onze 31 is een mangaan-zink materiaal met hoge doorlaatbaarheid.
Figuur 19 is een grafiek van de impedantie versus frequentie voor kralen van dezelfde grootte in 31, 73, 44 en 43 materialen. Het 44 materiaal is een verbeterd 43 materiaal met een hogere DC-weerstand, 109 ohm cm, betere thermische schokeigenschappen, temperatuurstabiliteit en hogere Curietemperatuur (Tc). Het 44-materiaal heeft iets hogere impedantie- versus frequentiekarakteristieken vergeleken met ons 43-materiaal. Het stationaire materiaal 31 vertoont een hogere impedantie dan 43 of 44 over het gehele meetfrequentiebereik. De 31 is ontworpen om de dimensionaal resonantieprobleem dat de laagfrequente onderdrukkingsprestaties van grotere mangaan-zinkkernen beïnvloedt en met succes is toegepast op onderdrukkingskernen van kabelconnectoren en grote toroïdale kernen. Figuur 20 is een grafiek van impedantie versus frequentie voor 43, 31 en 73 materialen voor Fair -Rite-kernen met 0,562 ″ OD, 0,250 ID en 1,125 HT. Bij het vergelijken van Figuur 19 en Figuur 20 moet worden opgemerkt dat voor kleinere kernen, voor frequenties tot 25 MHz, 73-materiaal het beste onderdrukkermateriaal is. Naarmate de kerndoorsnede groter wordt, neemt de maximale frequentie echter af. Zoals blijkt uit de gegevens in Figuur 20, is 73 de beste. De hoogste frequentie is 8 MHz. Het is ook vermeldenswaard dat het 31-materiaal goed presteert in het frequentiebereik van 8 MHz tot 300 MHz. Als mangaan-zinkferriet heeft het 31-materiaal echter een veel lagere volumeweerstand van 102 ohm-cm, en meer impedantieveranderingen bij extreme temperatuurveranderingen.
Verklarende woordenlijst Luchtkerninductantie – Lo (H) De inductantie die gemeten zou worden als de kern een uniforme permeabiliteit zou hebben en de fluxverdeling constant zou blijven. Algemene formule Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Ring Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Afmetingen zijn in mm
Verzwakking – A (dB) De vermindering van de signaalamplitude bij transmissie van het ene punt naar het andere. Het is een scalaire verhouding tussen de ingangsamplitude en de uitgangsamplitude, in decibel.
Kernconstante – C1 (cm-1) De som van de magnetische padlengten van elke sectie van het magnetische circuit gedeeld door het overeenkomstige magnetische gebied van dezelfde sectie.
Kernconstante – C2 (cm-3) De som van de magnetische circuitlengten van elke sectie van het magnetische circuit gedeeld door het kwadraat van het overeenkomstige magnetische domein van dezelfde sectie.
De effectieve afmetingen van het magnetische padgebied Ae (cm2), de padlengte le (cm) en het volume Ve (cm3). Voor een gegeven kerngeometrie wordt aangenomen dat de magnetische padlengte, het dwarsdoorsnedeoppervlak en het volume van de toroïdale kern heeft dezelfde materiaaleigenschappen als het materiaal. Het materiaal moet magnetische eigenschappen hebben die gelijkwaardig zijn aan die van de gegeven kern.
Veldsterkte – H (Oersted) Een parameter die de grootte van de veldsterkte karakteriseert. H = 0,4 π NI/le (Oersted)
Fluxdichtheid – B (Gaussiaans) De overeenkomstige parameter van het geïnduceerde magnetische veld in het gebied loodrecht op het fluxpad.
Impedantie – Z (ohm) De impedantie van een ferriet kan worden uitgedrukt in termen van zijn complexe permeabiliteit. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Verliestangens – tan δ De verliestangens van een ferriet is gelijk aan het omgekeerde van het circuit Q.
Verliesfactor – tan δ/μi Faseverwijdering tussen fundamentele componenten van magnetische fluxdichtheid en veldsterkte met initiële permeabiliteit.
Magnetische permeabiliteit – μ De magnetische permeabiliteit afgeleid van de verhouding tussen de magnetische fluxdichtheid en de toegepaste wisselveldsterkte is…
Amplitudepermeabiliteit, μa – wanneer de gespecificeerde waarde van de fluxdichtheid groter is dan de waarde die wordt gebruikt voor de initiële permeabiliteit.
Effectieve permeabiliteit, μe – Wanneer de magnetische route is geconstrueerd met een of meer luchtspleten, is de permeabiliteit de permeabiliteit van een hypothetisch homogeen materiaal dat dezelfde terughoudendheid zou bieden.
In Compliance is de belangrijkste bron van nieuws, informatie, educatie en inspiratie voor professionals op het gebied van elektrotechniek en elektronica.
Lucht- en ruimtevaart Automobiel Communicatie Consumentenelektronica Onderwijs Energie en energie-industrie Informatietechnologie Medisch Leger en defensie