nyheder

I vores ideelle verden er sikkerhed, kvalitet og ydeevne altafgørende. I mange tilfælde er prisen på den endelige komponent, inklusive ferriten, dog blevet den afgørende faktor. Denne artikel er beregnet til at hjælpe designingeniører med at finde alternative ferritmaterialer til at reducere koste.
De ønskede iboende materialeegenskaber og kernegeometri bestemmes af hver specifik applikation. Iboende egenskaber, der styrer ydeevnen i applikationer med lavt signalniveau, er permeabilitet (især temperatur), lave kernetab og god magnetisk stabilitet over tid og temperatur. Anvendelser omfatter høj-Q induktorer, common mode induktorer, bredbånds-, matchede og pulstransformatorer, radioantenneelementer og aktive og passive repeatere. Til strømapplikationer er høj fluxtæthed og lave tab ved driftsfrekvens og temperatur ønskelige egenskaber. Anvendelser omfatter switch-mode strømforsyninger til batteriopladning til elektriske køretøjer, magnetiske forstærkere, DC-DC-konvertere, strømfiltre, tændspoler og transformere.
Den iboende egenskab, der har den største indvirkning på blød ferrits ydeevne i undertrykkelsesapplikationer, er den komplekse permeabilitet [1], som er proportional med impedansen af ​​kernen. Der er tre måder at bruge ferrit som en undertrykker af uønskede signaler (ledet eller udstrålet) ).Den første, og mindst almindelige, er som en praktisk skærm, hvor ferritter bruges til at isolere ledere, komponenter eller kredsløb fra det udstrålende elektromagnetiske feltmiljø. I den anden applikation bruges ferritter med kapacitive elementer for at skabe et lavpas filter, dvs. induktans – kapacitiv ved lave frekvenser og dissipation ved høje frekvenser. Den tredje og mest almindelige anvendelse er, når ferritkerner bruges alene til komponentledninger eller kredsløb på kortniveau. I denne applikation forhindrer ferritkernen eventuelle parasitiske oscillationer og/ eller dæmper uønsket signaloptagelse eller transmission, der kan forplante sig langs komponentledninger eller sammenkoblinger, spor eller kabler. I den anden og tredje applikation undertrykker ferritkerner ledet EMI ved at eliminere eller i høj grad reducere højfrekvente strømme trukket af EMI-kilder. Introduktionen af ​​ferrit giver høj nok frekvensimpedans til at undertrykke højfrekvente strømme. I teorien ville en ideel ferrit give høj impedans ved EMI-frekvenser og nulimpedans ved alle andre frekvenser. Faktisk giver ferritundertrykkerkerner frekvensafhængig impedans. Ved frekvenser under 1 MHz maksimal impedans kan opnås mellem 10 MHz og 500 MHz afhængigt af ferritmaterialet.
Da det er i overensstemmelse med principperne for elektroteknik, hvor AC-spænding og strøm er repræsenteret af komplekse parametre, kan et materiales permeabilitet udtrykkes som en kompleks parameter bestående af reelle og imaginære dele. Dette demonstreres ved høje frekvenser, hvor permeabiliteten opdeles i to komponenter. Den reelle del (μ') repræsenterer den reaktive del, som er i fase med det vekslende magnetfelt [2], mens den imaginære del (μ") repræsenterer tabene, som er ude af fase med vekslende magnetfelt. Disse kan udtrykkes som seriekomponenter (μs'μs”) eller parallelkomponenter (µp'µp”). Graferne i figur 1, 2 og 3 viser seriekomponenterne af den komplekse initiale permeabilitet som funktion af frekvensen for tre ferritmaterialer. Materialetype 73 er ​​en mangan-zinkferrit, den initiale magnetiske Ledningsevnen er 2500. Materialetype 43 er en nikkelzinkferrit med en initialpermeabilitet på 850. Materialetype 61 er en nikkelzinkferrit med en initialpermeabilitet på 125.
Med fokus på seriekomponenten af ​​Type 61-materialet i figur 3 ser vi, at den reelle del af permeabiliteten, μs', forbliver konstant med stigende frekvens, indtil en kritisk frekvens er nået, og derefter falder hurtigt. Tabet eller μs" stiger og topper derefter, når μs falder. Dette fald i μs' skyldes begyndelsen af ​​ferrimagnetisk resonans. [3] Det skal bemærkes, at jo højere permeabilitet, jo mere Jo lavere frekvens. Dette omvendte forhold blev først observeret af Snoek og gav følgende formel:
hvor: ƒres = μs” frekvens ved maksimal γ = gyromagnetisk forhold = 0,22 x 106 A-1 m μi = initial permeabilitet Msat = 250-350 Am-1
Da ferritkerner, der bruges i lavt signalniveau og effektapplikationer, fokuserer på magnetiske parametre under denne frekvens, offentliggør ferritproducenter sjældent permeabilitets- og/eller tabsdata ved højere frekvenser. Imidlertid er højere frekvensdata væsentlige, når de specificerer ferritkerner til EMI-undertrykkelse.
Den egenskab, som de fleste ferritproducenter specificerer for komponenter, der anvendes til EMI-undertrykkelse, er impedans. Impedansen måles let på en kommercielt tilgængelig analysator med direkte digital udlæsning. Desværre er impedansen normalt angivet ved en bestemt frekvens og er en skalar, der repræsenterer kompleksets størrelse. impedansvektor. Selvom denne information er værdifuld, er den ofte utilstrækkelig, især når man modellerer ferriternes kredsløbsydelse. For at opnå dette skal impedansværdien og fasevinklen for komponenten eller den komplekse permeabilitet af det specifikke materiale være tilgængelig.
Men selv før man begynder at modellere ferritkomponenters ydeevne i et kredsløb, bør designere vide følgende:
hvor μ'= reel del af kompleks permeabilitet μ”= imaginær del af kompleks permeabilitet j = imaginær vektor af enhed Lo= luftkerneinduktans
Jernkernens impedans anses også for at være seriekombinationen af ​​den induktive reaktans (XL) og tabsmodstanden (Rs), som begge er frekvensafhængige. En tabsfri kerne vil have en impedans givet af reaktansen:
hvor: Rs = total seriemodstand = Rm + Re Rm = ækvivalent seriemodstand på grund af magnetiske tab Re = ækvivalent seriemodstand for kobbertab
Ved lave frekvenser er komponentens impedans primært induktiv. Efterhånden som frekvensen stiger, falder induktansen, mens tabene øges, og den samlede impedans stiger. Figur 4 er et typisk plot af XL, Rs og Z versus frekvensen for vores medium permeabilitetsmaterialer .
Så er den induktive reaktans proportional med den reelle del af den komplekse permeabilitet, ved Lo, luftkerneinduktansen:
Tabsmodstanden er også proportional med den imaginære del af den komplekse permeabilitet med den samme konstant:
I ligning 9 er kernematerialet givet ved µs' og µs”, og kernegeometrien er givet ved Lo. Efter at have kendskab til den komplekse permeabilitet af forskellige ferriter kan der derfor foretages en sammenligning for at opnå det bedst egnede materiale ved det ønskede frekvens eller frekvensområde. Efter at have valgt det bedste materiale, er det tid til at vælge komponenter i den bedste størrelse. Vektorgengivelsen af ​​kompleks permeabilitet og impedans er vist i figur 5.
Sammenligning af kerneformer og kernematerialer til impedansoptimering er ligetil, hvis producenten giver en graf over kompleks permeabilitet versus frekvens for ferritmaterialer, der anbefales til undertrykkelsesapplikationer. Desværre er denne information sjældent tilgængelig. De fleste producenter giver dog initial permeabilitet og tab versus frekvens kurver. Ud fra disse data kan en sammenligning af materialer, der bruges til at optimere kerneimpedans, udledes.
Med henvisning til figur 6, den indledende permeabilitet og dissipationsfaktor [4] af Fair-Rite 73-materiale i forhold til frekvens, forudsat at designeren ønsker at garantere en maksimal impedans mellem 100 og 900 kHz.73 materialer blev valgt. Til modelleringsformål, designeren også skal forstå de reaktive og resistive dele af impedansvektoren ved 100 kHz (105 Hz) og 900 kHz. Disse oplysninger kan udledes af følgende diagram:
Ved 100kHz μs ' = μi = 2500 og (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 fordi Tan δ = μs ”/ μs' så μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Det skal bemærkes, at μ" som forventet tilføjer meget lidt til den totale permeabilitetsvektor ved denne lave frekvens. Impedansen af ​​kernen er for det meste induktiv.
Designere ved, at kernen skal acceptere #22 ledning og passe ind i et mellemrum på 10 mm x 5 mm. Den indre diameter vil blive specificeret som 0,8 mm. For at løse den estimerede impedans og dens komponenter skal du først vælge en vulst med en ydre diameter på 10 mm og en højde på 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 ohm ved 100 kHz
I dette tilfælde, som i de fleste tilfælde, opnås maksimal impedans ved at bruge en mindre OD med en længere længde. Hvis ID'en er større, f.eks. 4 mm, og omvendt.
Den samme fremgangsmåde kan anvendes, hvis der er givet plot af impedans pr. enhed Lo og fasevinkel i forhold til frekvens. Figur 9, 10 og 11 repræsenterer sådanne kurver for de samme tre materialer, der er anvendt heri.
Designere ønsker at garantere maksimal impedans over frekvensområdet 25 MHz til 100 MHz. Den tilgængelige kortplads er igen 10 mm x 5 mm, og kernen skal acceptere #22 awg ledning. Med henvisning til figur 7 for enhedsimpedansen Lo for de tre ferritmaterialer, eller Figur 8 for den komplekse permeabilitet af de samme tre materialer, vælg 850 μi-materialet.[5] Ved at bruge grafen i figur 9 er Z/Lo for materialet med medium permeabilitet 350 x 108 ohm/H ved 25 MHz. Løs for den estimerede impedans:
Den foregående diskussion antager, at den valgte kerne er cylindrisk. Hvis ferritkerner anvendes til flade båndkabler, bundtede kabler eller perforerede plader, bliver beregningen af ​​Lo vanskeligere, og der skal opnås ret nøjagtige kernevejlængde og effektive arealtal. at beregne luftkernens induktans .Dette kan gøres ved matematisk at skære kernen i skiver og tilføje den beregnede vejlængde og magnetiske areal for hver skive.I alle tilfælde vil stigningen eller faldet i impedans dog være proportional med stigningen eller faldet i højden/længden af ​​ferritkernen.[6]
Som nævnt angiver de fleste producenter kerner til EMI-applikationer med hensyn til impedans, men slutbrugeren skal normalt kende dæmpningen. Forholdet, der eksisterer mellem disse to parametre, er:
Dette forhold afhænger af impedansen af ​​den kilde, der genererer støjen, og impedansen af ​​den belastning, der modtager støjen. Disse værdier er normalt komplekse tal, hvis rækkevidde kan være uendelig, og er ikke let tilgængelige for designeren.Valg af en værdi på 1 ohm for belastnings- og kildeimpedanserne, hvilket kan forekomme, når kilden er en switch-mode strømforsyning og indlæser mange lavimpedanskredsløb, forenkler ligningerne og tillader sammenligning af dæmpningen af ​​ferritkerner.
Grafen i figur 12 er et sæt kurver, der viser forholdet mellem skærmperleimpedans og dæmpning for mange almindelige værdier for belastning plus generatorimpedans.
Figur 13 er et ækvivalent kredsløb af en interferenskilde med en indre modstand på Zs. Interferenssignalet genereres af serieimpedansen Zsc af suppressorkernen og belastningsimpedansen ZL.
Figur 14 og 15 er grafer over impedans versus temperatur for de samme tre ferritmaterialer. Det mest stabile af disse materialer er 61-materialet med en 8 % reduktion i impedans ved 100º C og 100 MHz. I modsætning hertil viste 43-materialet en 25 % fald i impedans ved samme frekvens og temperatur. Disse kurver kan, når de leveres, bruges til at justere den specificerede rumtemperaturimpedans, hvis dæmpning ved forhøjede temperaturer er påkrævet.
Som med temperatur påvirker jævnstrøm og 50 eller 60 Hz forsyningsstrømme også de samme iboende ferritegenskaber, hvilket igen resulterer i lavere kerneimpedans. Figur 16, 17 og 18 er typiske kurver, der illustrerer effekten af ​​bias på impedansen af ​​et ferritmateriale .Denne kurve beskriver impedansforringelsen som funktion af feltstyrken for et bestemt materiale som funktion af frekvensen. Det skal bemærkes, at effekten af ​​bias aftager, når frekvensen stiger.
Siden disse data blev indsamlet, har Fair-Rite Products introduceret to nye materialer. Vores 44 er et nikkel-zink medium permeabilitet materiale og vores 31 er et mangan-zink høj permeabilitet materiale.
Figur 19 er et plot af impedans versus frekvens for perler af samme størrelse i 31, 73, 44 og 43 materialer. højere Curie-temperatur (Tc). 44-materialet har lidt højere impedans i forhold til frekvenskarakteristika sammenlignet med vores 43-materiale. Det stationære materiale 31 udviser en højere impedans end enten 43 eller 44 over hele målefrekvensområdet. 31'eren er designet til at lindre dimensionsresonansproblem, der påvirker lavfrekvensundertrykkelsesydelsen af ​​større mangan-zink-kerner og er blevet anvendt med succes på kabelkonnektorundertrykkelseskerner og store toroidale kerner. Figur 20 er et plot af impedans versus frekvens for 43, 31 og 73 materialer til Fair -Rite-kerner med 0,562″ OD, 0,250 ID og 1,125 HT. Når man sammenligner figur 19 og figur 20, skal det bemærkes, at for mindre kerner, for frekvenser op til 25 MHz, er 73-materiale det bedste undertrykkermateriale. Men efterhånden som kernetværsnittet øges, falder den maksimale frekvens. Som vist i dataene i figur 20, er 73 den bedste. Den højeste frekvens er 8 MHz. Det er også værd at bemærke, at 31-materialet klarer sig godt i frekvensområdet fra 8 MHz til 300 MHz. Men som en mangan-zinkferrit har 31-materialet en meget lavere volumenmodstand på 102 ohm -cm, og flere impedansændringer med ekstreme temperaturændringer.
Ordliste Luftkerneinduktans – Lo (H) Den induktans, der ville blive målt, hvis kernen havde ensartet permeabilitet og fluxfordelingen forblev konstant. Generel formel Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Ring Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Mål er i mm
Dæmpning – A (dB) Reduktionen i signalamplitude ved transmission fra et punkt til et andet. Det er et skalarforhold mellem inputamplitude og udgangsamplitude i decibel.
Kernekonstant – C1 (cm-1) Summen af ​​de magnetiske vejlængder for hver sektion af det magnetiske kredsløb divideret med det tilsvarende magnetiske område i samme sektion.
Kernekonstant – C2 (cm-3) Summen af ​​de magnetiske kredsløbslængder af hver sektion af det magnetiske kredsløb divideret med kvadratet af det tilsvarende magnetiske domæne i samme sektion.
De effektive dimensioner af det magnetiske vejareal Ae (cm2), vejlængden le (cm) og rumfanget Ve (cm3) For en given kernegeometri antages det, at den magnetiske vejlængde, tværsnitsareal og volumen af den toroidale kerne har samme materialeegenskaber som Materialet skal have magnetiske egenskaber svarende til den givne kerne.
Feltstyrke – H (Oersted) En parameter, der karakteriserer størrelsen af ​​feltstyrken. H = ,4 π NI/le (Oersted)
Fluxtæthed – B (Gaussisk) Den tilsvarende parameter for det inducerede magnetfelt i området normalt på fluxvejen.
Impedans – Z (ohm) Impedansen af ​​en ferrit kan udtrykkes i form af dens komplekse permeabilitet.Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Tab Tangent – ​​tan δ Tabstangensen for en ferrit er lig med den reciproke af kredsløbet Q.
Tabsfaktor – tan δ/μi Fasefjernelse mellem fundamentale komponenter af magnetisk fluxtæthed og feltstyrke med initial permeabilitet.
Magnetisk permeabilitet – μ Den magnetiske permeabilitet afledt af forholdet mellem den magnetiske fluxtæthed og den anvendte vekslende feltstyrke er...
Amplitudepermeabilitet, μa – når den specificerede værdi af fluxtæthed er større end den værdi, der anvendes til initial permeabilitet.
Effektiv permeabilitet, μe – Når den magnetiske rute er konstrueret med en eller flere luftspalter, er permeabiliteten permeabiliteten af ​​et hypotetisk homogent materiale, der ville give den samme reluktans.
In Compliance er den førende kilde til nyheder, information, uddannelse og inspiration for elektro- og elektronikingeniører.
Luftfart Automotive Kommunikation Forbrugerelektronik Uddannelse Energi- og elindustri Informationsteknologi Medicinsk militær og forsvar