nyheter

I vår ideelle verden er sikkerhet, kvalitet og ytelse avgjørende. I mange tilfeller har imidlertid kostnaden for den endelige komponenten, inkludert ferritten, blitt den avgjørende faktoren. Denne artikkelen er ment å hjelpe designingeniører med å finne alternative ferrittmaterialer for å redusere koste.
De ønskede iboende materialegenskapene og kjernegeometrien bestemmes av hver spesifikk applikasjon. Iboende egenskaper som styrer ytelsen i applikasjoner med lavt signalnivå er permeabilitet (spesielt temperatur), lave kjernetap og god magnetisk stabilitet over tid og temperatur. Applikasjoner inkluderer høy-Q induktorer, common mode induktorer, bredbånds-, matchede og pulstransformatorer, radioantenneelementer og aktive og passive repeatere. For strømapplikasjoner er høy flukstetthet og lave tap ved driftsfrekvens og temperatur ønskelige egenskaper. Applikasjoner inkluderer strømforsyninger for brytermodus for batterilading av elektriske kjøretøy, magnetiske forsterkere, DC-DC-omformere, strømfiltre, tenningsspoler og transformatorer.
Den iboende egenskapen som har størst innvirkning på myk ferrittytelse i undertrykkingsapplikasjoner er den komplekse permeabiliteten [1], som er proporsjonal med impedansen til kjernen. Det er tre måter å bruke ferritt som en undertrykker av uønskede signaler (ledet eller utstrålet) ).Den første, og minst vanlige, er som et praktisk skjold, der ferritter brukes til å isolere ledere, komponenter eller kretser fra det utstrålende elektromagnetiske feltmiljøet. I den andre applikasjonen brukes ferritter med kapasitive elementer for å skape et lavpass. filter, dvs. induktans – kapasitiv ved lave frekvenser og dissipasjon ved høye frekvenser. Den tredje og mest vanlige bruken er når ferrittkjerner brukes alene for komponentledninger eller kretser på kortnivå. I denne applikasjonen forhindrer ferrittkjernen eventuelle parasittiske oscillasjoner og/ eller demper uønsket signaloppfanging eller overføring som kan forplante seg langs komponentledninger eller sammenkoblinger, spor eller kabler. I den andre og tredje applikasjonen undertrykker ferrittkjerner ledet EMI ved å eliminere eller sterkt redusere høyfrekvente strømmer trukket av EMI-kilder. Introduksjonen av ferritt gir høy nok frekvensimpedans til å undertrykke høyfrekvente strømmer. I teorien vil en ideell ferritt gi høy impedans ved EMI-frekvenser og null impedans ved alle andre frekvenser. Faktisk gir ferrittundertrykkerkjerner frekvensavhengig impedans. Ved frekvenser under 1 MHz maksimal impedans kan oppnås mellom 10 MHz og 500 MHz avhengig av ferrittmaterialet.
Siden det er i samsvar med prinsippene for elektroteknikk, der vekselstrømspenning og strøm er representert av komplekse parametere, kan permeabiliteten til et materiale uttrykkes som en kompleks parameter bestående av reelle og imaginære deler. Dette demonstreres ved høye frekvenser, hvor permeabiliteten deler seg i to komponenter. Den reelle delen (μ') representerer den reaktive delen, som er i fase med det vekslende magnetfeltet [2], mens den imaginære delen (μ") representerer tapene, som er ute av fase med vekslende magnetfelt. Disse kan uttrykkes som seriekomponenter (μs'μs”) eller parallellkomponenter (µp'µp”). Grafene i figurene 1, 2 og 3 viser seriekomponentene til den komplekse initialpermeabiliteten som en funksjon av frekvensen for tre ferrittmaterialer. Materialetype 73 er ​​en mangan-sinkferritt, den initiale magnetiske Konduktiviteten er 2500. Materialetype 43 er en nikkel sinkferritt med en initial permeabilitet på 850. Materialetype 61 er en nikkelsinkferritt med en initial permeabilitet på 125.
Med fokus på seriekomponenten til Type 61-materialet i figur 3, ser vi at den reelle delen av permeabiliteten, μs', forblir konstant med økende frekvens inntil en kritisk frekvens er nådd, og deretter reduseres raskt. Tapet eller μs" stiger og topper deretter når μs faller. Denne nedgangen i μs' skyldes utbruddet av ferrimagnetisk resonans. [3] Det bør bemerkes at jo høyere permeabilitet, jo mer Jo lavere frekvens. Dette inverse forholdet ble først observert av Snoek og ga 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
Siden ferrittkjerner brukt i lavt signalnivå og kraftapplikasjoner fokuserer på magnetiske parametere under denne frekvensen, publiserer ferrittprodusenter sjelden permeabilitets- og/eller tapsdata ved høyere frekvenser. Imidlertid er høyere frekvensdata avgjørende når de spesifiserer ferrittkjerner for EMI-undertrykkelse.
Karakteristikken som de fleste ferrittprodusenter spesifiserer for komponenter som brukes til EMI-undertrykkelse, er impedans. Impedansen måles enkelt på en kommersielt tilgjengelig analysator med direkte digital avlesning. Dessverre er impedansen vanligvis spesifisert ved en spesifikk frekvens og er en skalar som representerer størrelsen på komplekset impedansvektor. Selv om denne informasjonen er verdifull, er den ofte utilstrekkelig, spesielt ved modellering av kretsytelsen til ferritter. For å oppnå dette må impedansverdien og fasevinkelen til komponenten, eller den komplekse permeabiliteten til det spesifikke materialet, være tilgjengelig.
Men selv før du begynner å modellere ytelsen til ferrittkomponenter i en krets, bør designere vite følgende:
hvor μ'= reell del av kompleks permeabilitet μ”= imaginær del av kompleks permeabilitet j = imaginær vektor av enhet Lo= luftkjerneinduktans
Impedansen til jernkjernen anses også å være seriekombinasjonen av den induktive reaktansen (XL) og tapsmotstanden (Rs), som begge er frekvensavhengige. En tapsfri kjerne vil ha en impedans gitt av reaktansen:
hvor: Rs = total seriemotstand = Rm + Re Rm = ekvivalent seriemotstand på grunn av magnetiske tap Re = ekvivalent seriemotstand for kobbertap
Ved lave frekvenser er impedansen til komponenten primært induktiv. Når frekvensen øker, synker induktansen mens tapene øker og den totale impedansen øker. Figur 4 er et typisk plott av XL, Rs og Z versus frekvens for våre middels permeabilitetsmaterialer .
Da er den induktive reaktansen proporsjonal med den reelle delen av den komplekse permeabiliteten, ved Lo, luftkjerneinduktansen:
Tapsmotstanden er også proporsjonal med den imaginære delen av den komplekse permeabiliteten med samme konstant:
I ligning 9 er kjernematerialet gitt ved µs' og µs”, og kjernegeometrien er gitt av Lo. Derfor, etter å ha kjennskap til den komplekse permeabiliteten til forskjellige ferritter, kan det gjøres en sammenligning for å oppnå det best egnede materialet ved ønsket frekvens eller frekvensområde. Etter å ha valgt det beste materialet, er det på tide å velge komponentene i den beste størrelsen. Vektorrepresentasjonen av kompleks permeabilitet og impedans er vist i figur 5.
Sammenligning av kjerneformer og kjernematerialer for impedansoptimalisering er enkel hvis produsenten gir en graf over kompleks permeabilitet versus frekvens for ferrittmaterialer anbefalt for undertrykkingsapplikasjoner. Dessverre er denne informasjonen sjelden tilgjengelig. De fleste produsenter gir imidlertid initial permeabilitet og tap versus frekvens kurver. Fra disse dataene kan en sammenligning av materialer som brukes for å optimalisere kjerneimpedansen utledes.
Med henvisning til figur 6, den innledende permeabiliteten og spredningsfaktoren [4] til Fair-Rite 73-materialet versus frekvensen, forutsatt at designeren ønsker å garantere en maksimal impedans mellom 100 og 900 kHz.73 materialer ble valgt. For modelleringsformål, designeren også trenger å forstå de reaktive og resistive delene av impedansvektoren ved 100 kHz (105 Hz) og 900 kHz. Denne informasjonen kan utledes fra 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 bemerkes at, som forventet, legger μ" svært lite til den totale permeabilitetsvektoren ved denne lave frekvensen. Impedansen til kjernen er for det meste induktiv.
Designere vet at kjernen må akseptere #22 ledning og passe inn i et mellomrom på 10 mm x 5 mm. Den indre diameteren vil bli spesifisert som 0,8 mm. For å løse den estimerte impedansen og dens komponenter, velg først en perle med en ytre diameter på 10 mm og en høyde 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 tilfellet, som i de fleste tilfeller, oppnås maksimal impedans ved å bruke en mindre OD med lengre lengde. Hvis IDen er større, f.eks. 4 mm, og omvendt.
Den samme tilnærmingen kan brukes hvis plott av impedans per enhet Lo og fasevinkel mot frekvens er gitt. Figurene 9, 10 og 11 representerer slike kurver for de samme tre materialene som brukes her.
Designere ønsker å garantere maksimal impedans over frekvensområdet 25 MHz til 100 MHz. Den tilgjengelige kortets plass er igjen 10 mm x 5 mm og kjernen må akseptere #22 awg ledning. Med henvisning til figur 7 for enhetsimpedansen Lo for de tre ferrittmaterialene, eller Figur 8 for den komplekse permeabiliteten til de samme tre materialene, velg 850 μi-materialet.[5] Ved å bruke grafen i figur 9 er Z/Lo for materialet med middels permeabilitet 350 x 108 ohm/H ved 25 MHz. Løs for den estimerte impedansen:
Den foregående diskusjonen forutsetter at den valgte kjernen er sylindrisk. Hvis ferrittkjerner brukes til flate båndkabler, buntekabler eller perforerte plater, blir beregningen av Lo vanskeligere, og ganske nøyaktige kjernebanelengde og effektive arealtall må innhentes for å beregne luftkjerneinduktansen .Dette kan gjøres ved å matematisk skjære opp kjernen og legge til beregnet banelengde og magnetisk areal for hver skive.I alle tilfeller vil imidlertid økningen eller reduksjonen i impedansen være proporsjonal med økningen eller reduksjonen i høyden/lengden på ferrittkjernen.[6]
Som nevnt spesifiserer de fleste produsenter kjerner for EMI-applikasjoner når det gjelder impedans, men sluttbrukeren trenger vanligvis å vite dempningen. Forholdet som eksisterer mellom disse to parameterne er:
Dette forholdet avhenger av impedansen til kilden som genererer støyen og impedansen til lasten som mottar støyen. Disse verdiene er vanligvis komplekse tall, hvis rekkevidde kan være uendelig, og er ikke lett tilgjengelig for designeren. Velge en verdi på 1 ohm for last- og kildeimpedansene, som kan oppstå når kilden er en svitsjmodusstrømforsyning og laster mange lavimpedanskretser, forenkler ligningene og tillater sammenligning av dempningen av ferrittkjerner.
Grafen i figur 12 er et sett med kurver som viser forholdet mellom skjermperleimpedans og demping for mange vanlige verdier for last pluss generatorimpedans.
Figur 13 er en ekvivalent krets av en interferenskilde med en indre motstand på Zs. Interferenssignalet genereres av serieimpedansen Zsc til suppressorkjernen og lastimpedansen ZL.
Figurene 14 og 15 er grafer over impedans mot temperatur for de samme tre ferrittmaterialene. Det mest stabile av disse materialene er 61-materialet med 8 % reduksjon i impedans ved 100ºC og 100 MHz. I motsetning til dette viste 43-materialet en 25 % fall i impedans ved samme frekvens og temperatur. Disse kurvene, når de følger med, kan brukes til å justere den spesifiserte romtemperaturimpedansen hvis demping ved høye temperaturer er nødvendig.
Som med temperatur, påvirker likestrøm og 50 eller 60 Hz forsyningsstrømmer også de samme iboende ferrittegenskapene, som igjen resulterer i lavere kjerneimpedans. Figurene 16, 17 og 18 er typiske kurver som illustrerer effekten av forspenning på impedansen til et ferrittmateriale. .Denne kurven beskriver impedansdegraderingen som en funksjon av feltstyrken for et bestemt materiale som en funksjon av frekvensen. Det skal bemerkes at effekten av forspenningen avtar når frekvensen øker.
Siden disse dataene ble samlet, har Fair-Rite Products introdusert to nye materialer. Vår 44 er et nikkel-sink materiale med middels permeabilitet og vår 31 er et mangan-sink materiale med høy permeabilitet.
Figur 19 er et plott av impedans mot frekvens for kuler av samme størrelse i 31, 73, 44 og 43 materialer. 44-materialet er et forbedret 43-materiale med høyere DC-resistivitet, 109 ohm cm, bedre termiske sjokkegenskaper, temperaturstabilitet og høyere Curie-temperatur (Tc). 44-materialet har litt høyere impedans kontra frekvenskarakteristikk sammenlignet med vårt 43-materiale. Det stasjonære materialet 31 viser en høyere impedans enn enten 43 eller 44 over hele målefrekvensområdet. 31 er designet for å lindre dimensjonsresonansproblem som påvirker lavfrekvensdempningsytelsen til større mangan-sinkkjerner og har blitt brukt på kabelkoblingskjerner og store toroidale kjerner. Figur 20 er et plott av impedans versus frekvens for 43, 31 og 73 materialer for Fair -Rite-kjerner med 0,562" OD, 0,250 ID og 1,125 HT. Når man sammenligner figur 19 og figur 20, bør det bemerkes at for mindre kjerner, for frekvenser opp til 25 MHz, er 73-materiale det beste undertrykkermaterialet. Men når kjernetverrsnittet øker, synker maksimalfrekvensen. Som vist i dataene i figur 20, er 73 best. Den høyeste frekvensen er 8 MHz. Det er også verdt å merke seg at 31-materialet yter godt i frekvensområdet fra 8 MHz til 300 MHz. Som en mangansinkferritt har imidlertid 31-materialet en mye lavere volumresistivitet på 102 ohm -cm, og flere impedansendringer ved ekstreme temperaturendringer.
Ordliste Luftkjerneinduktans – Lo (H) Induktansen som ville blitt målt hvis kjernen hadde jevn permeabilitet og fluksfordelingen holdt seg konstant. Generell formel Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Ring Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Mål er i mm
Dempning – A (dB) Reduksjonen i signalamplitude ved overføring fra ett punkt til et annet. Det er et skalarforhold mellom inngangsamplitude og utgangsamplitude, i desibel.
Kjernekonstant – C1 (cm-1) Summen av de magnetiske banelengdene til hver seksjon av den magnetiske kretsen delt på det tilsvarende magnetiske området i samme seksjon.
Kjernekonstant – C2 (cm-3) Summen av de magnetiske kretslengdene til hver seksjon av den magnetiske kretsen delt på kvadratet av det tilsvarende magnetiske domenet i samme seksjon.
De effektive dimensjonene til det magnetiske baneområdet Ae (cm2), banelengden le (cm) og volumet Ve (cm3) For en gitt kjernegeometri antas det at den magnetiske banelengden, tverrsnittsarealet og volumet av den toroidale kjernen har samme materialegenskaper som Materialet skal ha magnetiske egenskaper tilsvarende den gitte kjernen.
Feltstyrke – H (Oersted) En parameter som karakteriserer størrelsen på feltstyrken. H = .4 π NI/le (Oersted)
Fluktetthet – B (Gaussisk) Den tilsvarende parameteren for det induserte magnetfeltet i området normalt til fluksbanen.
Impedans – Z (ohm) Impedansen til en ferritt kan uttrykkes i form av dens komplekse permeabilitet.Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Tap Tangent – ​​tan δ Tapstangensen til en ferritt er lik den resiproke av kretsen Q.
Tapsfaktor – tan δ/μi Fasefjerning mellom grunnleggende komponenter av magnetisk flukstetthet og feltstyrke med initial permeabilitet.
Magnetisk permeabilitet – μ Den magnetiske permeabiliteten utledet fra forholdet mellom den magnetiske flukstettheten og den påførte vekslende feltstyrken er...
Amplitudepermeabilitet, μa – når den spesifiserte verdien av flukstetthet er større enn verdien brukt for initial permeabilitet.
Effektiv permeabilitet, μe – Når den magnetiske ruten er konstruert med ett eller flere luftgap, er permeabiliteten permeabiliteten til et hypotetisk homogent materiale som vil gi samme reluktans.
In Compliance er den fremste kilden til nyheter, informasjon, utdanning og inspirasjon for elektro- og elektronikkingeniører.
Luftfart Bilkommunikasjon Forbrukerelektronikk Utdanning Energi og kraftindustri Informasjonsteknologi Medisinsk militær og forsvar