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Nel nostro mondo ideale, la sicurezza, la qualità e le prestazioni sono fondamentali. In molti casi, tuttavia, il costo del componente finale, inclusa la ferrite, è diventato il fattore determinante. Questo articolo ha lo scopo di aiutare i progettisti a trovare materiali di ferrite alternativi per ridurre costo.
Le proprietà intrinseche desiderate del materiale e la geometria del nucleo sono determinate da ciascuna applicazione specifica. Le proprietà intrinseche che governano le prestazioni nelle applicazioni a basso livello di segnale sono permeabilità (in particolare la temperatura), basse perdite del nucleo e buona stabilità magnetica nel tempo e nella temperatura. Le applicazioni includono Q elevato induttori, induttori di modo comune, trasformatori a banda larga, adattati e a impulsi, elementi di antenne radio e ripetitori attivi e passivi. Per le applicazioni di potenza, sono caratteristiche desiderabili un'elevata densità di flusso e basse perdite alla frequenza e alla temperatura di funzionamento. Le applicazioni includono alimentatori a commutazione per ricarica delle batterie dei veicoli elettrici, amplificatori magnetici, convertitori DC-DC, filtri di potenza, bobine di accensione e trasformatori.
La proprietà intrinseca che ha il maggiore impatto sulle prestazioni della ferrite morbida nelle applicazioni di soppressione è la permeabilità complessa [1], che è proporzionale all'impedenza del nucleo. Esistono tre modi per utilizzare la ferrite come soppressore di segnali indesiderati (condotti o irradiati ). Il primo, e meno comune, è come uno schermo pratico, in cui i ferriti vengono utilizzati per isolare conduttori, componenti o circuiti dall'ambiente radiante del campo elettromagnetico disperso. Nella seconda applicazione, i ferriti vengono utilizzati con elementi capacitivi per creare un passa basso filtro, ovvero induttanza – capacitiva alle basse frequenze e dissipazione alle alte frequenze. Il terzo e più comune utilizzo è quando i nuclei di ferrite vengono utilizzati da soli per conduttori di componenti o circuiti a livello di scheda. In questa applicazione, il nucleo di ferrite previene eventuali oscillazioni parassite e/o o attenua la raccolta o la trasmissione indesiderata del segnale che può propagarsi lungo i conduttori dei componenti o le interconnessioni, le tracce o i cavi. Nella seconda e terza applicazione, i nuclei di ferrite sopprimono le EMI condotte eliminando o riducendo notevolmente le correnti ad alta frequenza assorbite dalle sorgenti EMI. L'introduzione della ferrite fornisce un'impedenza di frequenza sufficientemente elevata da sopprimere le correnti ad alta frequenza. In teoria, una ferrite ideale fornirebbe un'alta impedenza alle frequenze EMI e un'impedenza zero a tutte le altre frequenze. In effetti, i nuclei del soppressore di ferrite forniscono un'impedenza dipendente dalla frequenza. A frequenze inferiori a 1 MHz, il l'impedenza massima può essere ottenuta tra 10 MHz e 500 MHz a seconda del materiale di ferrite.
Poiché è coerente con i principi dell'ingegneria elettrica, dove la tensione e la corrente CA sono rappresentate da parametri complessi, la permeabilità di un materiale può essere espressa come un parametro complesso costituito da parti reali e immaginarie. Ciò è dimostrato alle alte frequenze, dove La permeabilità si divide in due componenti. La parte reale (μ') rappresenta la parte reattiva, che è in fase con il campo magnetico alternato [2], mentre la parte immaginaria (μ”) rappresenta le perdite, che sono sfasate rispetto al campo magnetico alternato. campo magnetico alternato. Questi possono essere espressi come componenti in serie (μs'μs”) o in componenti parallele (μp'μp”). I grafici nelle Figure 1, 2 e 3 mostrano le componenti in serie della complessa permeabilità iniziale in funzione della frequenza per tre materiali di ferrite. Il materiale tipo 73 è una ferrite manganese-zinco, la conduttività magnetica iniziale è 2500. Il materiale tipo 43 è una ferrite nichel-zinco con una permeabilità iniziale di 850. Il materiale tipo 61 è una ferrite nichel-zinco con una permeabilità iniziale di 125.
Concentrandoci sulla componente in serie del materiale Tipo 61 nella Figura 3, vediamo che la parte reale della permeabilità, μs', rimane costante con l'aumentare della frequenza fino al raggiungimento di una frequenza critica, per poi diminuire rapidamente. La perdita o μs” aumenta e poi raggiunge il picco al diminuire di μs'. Questa diminuzione di μs' è dovuta all'instaurarsi della risonanza ferrimagnetica. [3] Va notato che maggiore è la permeabilità, minore è la frequenza. Questa relazione inversa fu osservata per la prima volta da Snoek e diede la seguente formula:
dove: ƒres = μs” frequenza al massimo γ = rapporto giromagnetico = 0,22 x 106 A-1 m μi = permeabilità iniziale Msat = 250-350 Am-1
Poiché i nuclei di ferrite utilizzati in applicazioni a basso livello di segnale e di potenza si concentrano su parametri magnetici al di sotto di questa frequenza, i produttori di ferrite raramente pubblicano dati di permeabilità e/o perdita a frequenze più elevate. Tuttavia, dati a frequenze più elevate sono essenziali quando si specificano i nuclei di ferrite per la soppressione delle EMI.
La caratteristica che la maggior parte dei produttori di ferrite specifica per i componenti utilizzati per la soppressione EMI è l'impedenza. L'impedenza può essere facilmente misurata su un analizzatore disponibile in commercio con lettura digitale diretta. Sfortunatamente, l'impedenza è solitamente specificata a una frequenza specifica ed è uno scalare che rappresenta l'entità del complesso vettore di impedenza. Sebbene queste informazioni siano preziose, spesso sono insufficienti, soprattutto quando si modella la prestazione del circuito delle ferriti. Per ottenere ciò, devono essere disponibili il valore di impedenza e l'angolo di fase del componente, o la permeabilità complessa del materiale specifico.
Ma anche prima di iniziare a modellare le prestazioni dei componenti in ferrite in un circuito, i progettisti dovrebbero sapere quanto segue:
dove μ'= parte reale della permeabilità complessa μ”= parte immaginaria della permeabilità complessa j = vettore immaginario dell'unità Lo= induttanza del nucleo d'aria
L'impedenza del nucleo di ferro è anche considerata la combinazione in serie della reattanza induttiva (XL) e della resistenza di perdita (Rs), entrambe dipendenti dalla frequenza. Un nucleo senza perdite avrà un'impedenza data dalla reattanza:
dove: Rs = resistenza in serie totale = Rm + Re Rm = resistenza in serie equivalente dovuta alle perdite magnetiche Re = resistenza in serie equivalente per le perdite nel rame
Alle basse frequenze, l'impedenza del componente è principalmente induttiva. All'aumentare della frequenza, l'induttanza diminuisce mentre aumentano le perdite e l'impedenza totale aumenta. La Figura 4 è un grafico tipico di XL, Rs e Z rispetto alla frequenza per i nostri materiali a media permeabilità .
Quindi la reattanza induttiva è proporzionale alla parte reale della permeabilità complessa, mediante Lo, l'induttanza del nucleo d'aria:
La resistenza alle perdite è anche proporzionale alla parte immaginaria della permeabilità complessa per la stessa costante:
Nell'Equazione 9, il materiale del nucleo è dato da µs' e µs”, e la geometria del nucleo è data da Lo. Pertanto, dopo aver conosciuto la complessa permeabilità delle diverse ferriti, si può fare un confronto per ottenere il materiale più adatto alla temperatura desiderata frequenza o intervallo di frequenza. Dopo aver scelto il materiale migliore, è il momento di scegliere i componenti delle dimensioni migliori. La rappresentazione vettoriale della permeabilità e dell'impedenza complesse è mostrata nella Figura 5.
Il confronto tra le forme e i materiali del nucleo per l'ottimizzazione dell'impedenza è semplice se il produttore fornisce un grafico della permeabilità complessa in funzione della frequenza per i materiali in ferrite consigliati per applicazioni di soppressione. Sfortunatamente, queste informazioni sono raramente disponibili. Tuttavia, la maggior parte dei produttori fornisce permeabilità iniziale e perdita in funzione della frequenza curve. Da questi dati è possibile derivare un confronto dei materiali utilizzati per ottimizzare l'impedenza del nucleo.
Facendo riferimento alla Figura 6, la permeabilità iniziale e il fattore di dissipazione [4] del materiale Fair-Rite 73 rispetto alla frequenza, presupponendo che il progettista voglia garantire un'impedenza massima compresa tra 100 e 900 kHz. Sono stati selezionati 73 materiali. Per scopi di modellazione, il progettista ha anche deve comprendere le parti reattive e resistive del vettore di impedenza a 100 kHz (105 Hz) e 900 kHz. Queste informazioni possono essere derivate dalla seguente tabella:
A 100kHz μs ' = μi = 2500 e (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 perché Tan δ = μs ”/ μs' quindi μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Va notato che, come previsto, il μ” aggiunge molto poco al vettore di permeabilità totale a questa bassa frequenza. L'impedenza del nucleo è prevalentemente induttiva.
I progettisti sanno che il nucleo deve accettare il filo n. 22 e inserirsi in uno spazio di 10 mm x 5 mm. Il diametro interno sarà specificato come 0,8 mm. Per risolvere l'impedenza stimata e i suoi componenti, selezionare innanzitutto un cordone con un diametro esterno di 10 mm e un'altezza di 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 a 100 kHz
In questo caso, come nella maggior parte dei casi, l'impedenza massima si ottiene utilizzando un diametro esterno più piccolo con una lunghezza maggiore. Se il diametro interno è maggiore, ad esempio 4 mm, e viceversa.
Lo stesso approccio può essere utilizzato se vengono forniti grafici di impedenza per unità Lo e angolo di fase rispetto alla frequenza. Le Figure 9, 10 e 11 rappresentano tali curve per gli stessi tre materiali qui utilizzati.
I progettisti vogliono garantire la massima impedenza nell'intervallo di frequenza da 25 MHz a 100 MHz. Lo spazio disponibile sulla scheda è ancora 10 mm x 5 mm e il nucleo deve accettare il filo n. 22 awg. Facendo riferimento alla Figura 7 per l'impedenza dell'unità Lo dei tre materiali di ferrite, o Figura 8 per la permeabilità complessa degli stessi tre materiali, selezionare il materiale da 850 μi.[5] Utilizzando il grafico nella Figura 9, lo Z/Lo del materiale a media permeabilità è 350 x 108 ohm/H a 25 MHz. Risolvere per l'impedenza stimata:
La discussione precedente presuppone che il nucleo scelto sia cilindrico. Se i nuclei di ferrite vengono utilizzati per cavi piatti a nastro, cavi in ​​bundle o piastre perforate, il calcolo di Lo diventa più difficile ed è necessario ottenere valori abbastanza accurati della lunghezza del percorso del nucleo e dell'area effettiva. per calcolare l'induttanza del nucleo d'aria. Ciò può essere fatto affettando matematicamente il nucleo e aggiungendo la lunghezza del percorso calcolata e l'area magnetica per ciascuna fetta. In tutti i casi, tuttavia, l'aumento o la diminuzione dell'impedenza sarà proporzionale all'aumento o alla diminuzione di l'altezza/lunghezza del nucleo di ferrite.[6]
Come accennato, la maggior parte dei produttori specifica i nuclei per le applicazioni EMI in termini di impedenza, ma l'utente finale solitamente ha bisogno di conoscere l'attenuazione. La relazione che esiste tra questi due parametri è:
Questa relazione dipende dall'impedenza della sorgente che genera il rumore e dall'impedenza del carico che riceve il rumore. Questi valori sono solitamente numeri complessi, il cui intervallo può essere infinito, e non sono facilmente disponibili per il progettista. Scegliendo un valore di 1 ohm per le impedenze di carico e sorgente, che può verificarsi quando la sorgente è un alimentatore a commutazione e carica molti circuiti a bassa impedenza, semplifica le equazioni e consente il confronto dell'attenuazione dei nuclei di ferrite.
Il grafico nella Figura 12 è un insieme di curve che mostrano la relazione tra l'impedenza del cordone di schermatura e l'attenuazione per molti valori comuni di carico più impedenza del generatore.
La Figura 13 è un circuito equivalente di una sorgente di interferenza con una resistenza interna di Zs. Il segnale di disturbo viene generato dall'impedenza in serie Zsc del nucleo soppressore e dall'impedenza di carico ZL.
Le Figure 14 e 15 sono grafici dell'impedenza rispetto alla temperatura per gli stessi tre materiali di ferrite. Il più stabile di questi materiali è il materiale 61 con una riduzione dell'8% nell'impedenza a 100º C e 100 MHz. Al contrario, il materiale 43 ha mostrato un 25 % di calo dell'impedenza alla stessa frequenza e temperatura. Queste curve, se fornite, possono essere utilizzate per regolare l'impedenza della temperatura ambiente specificata se è richiesta l'attenuazione a temperature elevate.
Come per la temperatura, anche le correnti di alimentazione CC e a 50 o 60 Hz influiscono sulle stesse proprietà intrinseche della ferrite, che a loro volta si traducono in un'impedenza del nucleo inferiore. Le figure 16, 17 e 18 sono curve tipiche che illustrano l'effetto della polarizzazione sull'impedenza di un materiale di ferrite Questa curva descrive la degradazione dell'impedenza in funzione dell'intensità del campo per un particolare materiale in funzione della frequenza. Va notato che l'effetto della polarizzazione diminuisce all'aumentare della frequenza.
Da quando sono stati compilati questi dati, Fair-Rite Products ha introdotto due nuovi materiali. Il nostro 44 è un materiale a media permeabilità al nichel-zinco e il nostro 31 è un materiale ad alta permeabilità allo zinco-manganese.
La Figura 19 è un grafico dell'impedenza rispetto alla frequenza per sfere della stessa dimensione nei materiali 31, 73, 44 e 43. Il materiale 44 è un materiale 43 migliorato con resistività CC più elevata, 109 ohm cm, migliori proprietà di shock termico, stabilità della temperatura e temperatura Curie (Tc) più elevata. Il materiale 44 ha un'impedenza leggermente superiore rispetto alle caratteristiche di frequenza rispetto al nostro materiale 43. Il materiale stazionario 31 mostra un'impedenza maggiore rispetto al 43 o al 44 sull'intero intervallo di frequenza di misurazione. Il 31 è progettato per alleviare la problema di risonanza dimensionale che influisce sulle prestazioni di soppressione delle basse frequenze dei nuclei di zinco-manganese più grandi ed è stato applicato con successo ai nuclei di soppressione dei connettori dei cavi e ai nuclei toroidali di grandi dimensioni. La Figura 20 è un grafico dell'impedenza rispetto alla frequenza per i materiali 43, 31 e 73 per Fair -Nuclei Rite con 0,562 "OD, 0,250 ID e 1,125 HT. Confrontando la Figura 19 e la Figura 20, va notato che per i nuclei più piccoli, per frequenze fino a 25 MHz, il materiale 73 è il miglior materiale soppressore. Tuttavia, all’aumentare della sezione trasversale del nucleo, la frequenza massima diminuisce. Come mostrato nei dati nella Figura 20, 73 è la migliore. La frequenza più alta è 8 MHz. Vale anche la pena notare che il materiale 31 funziona bene nella gamma di frequenze da 8 MHz a 300 MHz. Tuttavia, essendo una ferrite di zinco e manganese, il materiale 31 ha una resistività di volume molto inferiore di 102 ohm-cm e maggiori variazioni di impedenza con variazioni estreme di temperatura.
Glossario Induttanza del nucleo d'aria – Lo (H) L'induttanza che verrebbe misurata se il nucleo avesse una permeabilità uniforme e la distribuzione del flusso rimanesse costante. Formula generale Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Anello Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Le dimensioni sono espresse in mm
Attenuazione – A (dB) La riduzione dell'ampiezza del segnale nella trasmissione da un punto a un altro. È un rapporto scalare tra l'ampiezza dell'ingresso e l'ampiezza dell'uscita, in decibel.
Costante del nucleo – C1 (cm-1) La somma delle lunghezze del percorso magnetico di ciascuna sezione del circuito magnetico divisa per la corrispondente regione magnetica della stessa sezione.
Costante del nucleo – C2 (cm-3) La somma delle lunghezze del circuito magnetico di ciascuna sezione del circuito magnetico divisa per il quadrato del corrispondente dominio magnetico della stessa sezione.
Le dimensioni effettive dell'area del percorso magnetico Ae (cm2), la lunghezza del percorso le (cm) e il volume Ve (cm3) Per una data geometria del nucleo, si presuppone che la lunghezza del percorso magnetico, l'area della sezione trasversale e il volume del il nucleo toroidale ha le stesse proprietà del materiale del Il materiale dovrebbe avere proprietà magnetiche equivalenti al nucleo dato.
Intensità del campo – H (Oersted) Un parametro che caratterizza l'entità dell'intensità del campo.H = 0,4 π NI/le (Oersted)
Densità del flusso – B (gaussiana) Il parametro corrispondente del campo magnetico indotto nella regione normale al percorso del flusso.
Impedenza – Z (ohm) L'impedenza di una ferrite può essere espressa in termini della sua permeabilità complessa.Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Perdita tangente – tan δ La tangente di perdita di una ferrite è pari al reciproco del circuito Q.
Fattore di perdita – tan δ/μi Rimozione di fase tra i componenti fondamentali della densità del flusso magnetico e dell'intensità del campo con permeabilità iniziale.
Permeabilità magnetica – μ La permeabilità magnetica derivata dal rapporto tra la densità del flusso magnetico e l’intensità del campo alternato applicato è…
Permeabilità di ampiezza, μa – quando il valore specificato della densità di flusso è maggiore del valore utilizzato per la permeabilità iniziale.
Permeabilità effettiva, μe – Quando il percorso magnetico è costruito con uno o più traferri, la permeabilità è la permeabilità di un ipotetico materiale omogeneo che fornirebbe la stessa riluttanza.
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