Nyheter

I vår ideala värld är säkerhet, kvalitet och prestanda avgörande. I många fall har dock kostnaden för den slutliga komponenten, inklusive ferriten, blivit den avgörande faktorn. Den här artikeln är avsedd att hjälpa designingenjörer att hitta alternativa ferritmaterial för att minska kosta.
De önskade inneboende materialegenskaperna och kärngeometrin bestäms av varje specifik applikation. Inneboende egenskaper som styr prestanda i applikationer med låg signalnivå är permeabilitet (särskilt temperatur), låga kärnförluster och god magnetisk stabilitet över tid och temperatur. Tillämpningar inkluderar hög-Q induktorer, common mode induktorer, bredbands-, matchade och pulstransformatorer, radioantennelement och aktiva och passiva repeatrar. För krafttillämpningar är hög flödestäthet och låga förluster vid driftfrekvens och temperatur önskvärda egenskaper. Tillämpningar inkluderar switch-mode strömförsörjning för batteriladdning för elfordon, magnetiska förstärkare, DC-DC-omvandlare, effektfilter, tändspolar och transformatorer.
Den inneboende egenskap som har störst inverkan på mjuk ferritprestanda i undertryckande applikationer är den komplexa permeabiliteten [1], som är proportionell mot kärnans impedans. Det finns tre sätt att använda ferrit som en suppressor av oönskade signaler (leds eller utstrålas). ).Den första, och minst vanliga, är som en praktisk skärm, där ferriter används för att isolera ledare, komponenter eller kretsar från den strålande elektromagnetiska fältmiljön. I den andra applikationen används ferriter med kapacitiva element för att skapa ett lågpass filter, dvs induktans – kapacitiv vid låga frekvenser och dissipation vid höga frekvenser. Den tredje och vanligaste användningen är när ferritkärnor används ensamma för komponentledningar eller kretsar på kortnivå. I denna applikation förhindrar ferritkärnan alla parasitiska svängningar och/ eller dämpar oönskad signalupptagning eller överföring som kan fortplanta sig längs komponentledningar eller sammankopplingar, spår eller kablar. I den andra och tredje applikationen undertrycker ferritkärnor ledande EMI genom att eliminera eller kraftigt reducera högfrekventa strömmar som dras av EMI-källor. Införandet av ferrit ger tillräckligt hög frekvensimpedans för att undertrycka högfrekventa strömmar. I teorin skulle en idealisk ferrit ge hög impedans vid EMI-frekvenser och noll impedans vid alla andra frekvenser. I själva verket ger ferritdämparkärnor frekvensberoende impedans. Vid frekvenser under 1 MHz maximal impedans kan erhållas mellan 10 MHz och 500 MHz beroende på ferritmaterialet.
Eftersom det är förenligt med principerna för elektroteknik, där växelspänning och ström representeras av komplexa parametrar, kan ett materials permeabilitet uttryckas som en komplex parameter bestående av verkliga och imaginära delar. Detta demonstreras vid höga frekvenser, där permeabiliteten delas i två komponenter. Den reella delen (μ') representerar den reaktiva delen, som är i fas med det alternerande magnetfältet [2], medan den imaginära delen (μ") representerar förlusterna, som är ur fas med växlande magnetfält.Dessa kan uttryckas som seriekomponenter (μs'μs”) eller parallella komponenter (µp'µp”).Graferna i figurerna 1, 2 och 3 visar seriekomponenterna för den komplexa initiala permeabiliteten som en funktion av frekvensen för tre ferritmaterial.Materialtyp 73 är en mangan-zinkferrit, den initiala magnetiska Konduktiviteten är 2500. Materialtyp 43 är en nickelzinkferrit med en initial permeabilitet på 850. Materialtyp 61 är en nickelzinkferrit med en initial permeabilitet på 125.
Med fokus på seriekomponenten i Type 61-materialet i figur 3, ser vi att den reella delen av permeabiliteten, μs', förblir konstant med ökande frekvens tills en kritisk frekvens uppnås, och minskar sedan snabbt. Förlusten eller μs" stiger och toppar sedan när μs faller.Denna minskning av μs' beror på början av ferrimagnetisk resonans.[3] Det bör noteras att ju högre permeabilitet, desto mer Ju lägre frekvens.Detta omvända förhållande observerades först av Snoek och gav följande formel:
där: ƒres = μs” frekvens vid maximal γ = gyromagnetiskt förhållande = 0,22 x 106 A-1 m μi = initial permeabilitet Msat = 250-350 Am-1
Eftersom ferritkärnor som används i lågsignalnivåer och krafttillämpningar fokuserar på magnetiska parametrar under denna frekvens, publicerar ferrittillverkare sällan permeabilitets- och/eller förlustdata vid högre frekvenser. Men högre frekvensdata är väsentliga när de specificerar ferritkärnor för EMI-undertryckning.
Den egenskap som de flesta ferrittillverkare anger för komponenter som används för EMI-undertryckning är impedans. Impedansen mäts enkelt på en kommersiellt tillgänglig analysator med direkt digital avläsning. Tyvärr anges impedansen vanligtvis vid en specifik frekvens och är en skalär som representerar komplexets storlek. impedansvektor. Även om denna information är värdefull är den ofta otillräcklig, särskilt när man modellerar kretsprestanda för ferriter. För att uppnå detta måste impedansvärdet och fasvinkeln för komponenten, eller den komplexa permeabiliteten för det specifika materialet, vara tillgängliga.
Men även innan man börjar modellera prestanda för ferritkomponenter i en krets, bör designers veta följande:
där μ'= reell del av komplex permeabilitet μ”= imaginär del av komplex permeabilitet j = imaginär vektor för enheten Lo= luftkärnans induktans
Impedansen för järnkärnan anses också vara seriekombinationen av den induktiva reaktansen (XL) och förlustresistansen (Rs), som båda är frekvensberoende. En förlustfri kärna kommer att ha en impedans som ges av reaktansen:
där: Rs = total serieresistans = Rm + Re Rm = ekvivalent serieresistans på grund av magnetiska förluster Re = ekvivalent serieresistans för kopparförluster
Vid låga frekvenser är komponentens impedans primärt induktiv. När frekvensen ökar minskar induktansen medan förlusterna ökar och den totala impedansen ökar. Figur 4 är en typisk kurva över XL, Rs och Z mot frekvensen för våra medelpermeabilitetsmaterial .
Då är den induktiva reaktansen proportionell mot den reella delen av den komplexa permeabiliteten, med Lo, luftkärninduktansen:
Förlustmotståndet är också proportionellt mot den imaginära delen av den komplexa permeabiliteten med samma konstant:
I ekvation 9 ges kärnmaterialet av µs' och µs”, och kärngeometrin ges av Lo. Därför, efter att ha känt till den komplexa permeabiliteten för olika ferriter, kan en jämförelse göras för att erhålla det mest lämpliga materialet vid önskat frekvens eller frekvensområde. Efter att ha valt det bästa materialet är det dags att välja komponenter med bästa storlek. Vektorrepresentationen av komplex permeabilitet och impedans visas i figur 5.
Jämförelse av kärnformer och kärnmaterial för impedansoptimering är enkel om tillverkaren tillhandahåller en graf över komplex permeabilitet kontra frekvens för ferritmaterial som rekommenderas för undertryckningsapplikationer. Tyvärr är denna information sällan tillgänglig. De flesta tillverkare tillhandahåller dock initial permeabilitet och förlust kontra frekvens kurvor. Från dessa data kan en jämförelse av material som används för att optimera kärnimpedansen härledas.
Med hänvisning till figur 6, den initiala permeabiliteten och spridningsfaktorn [4] för Fair-Rite 73-material kontra frekvens, förutsatt att konstruktören vill garantera en maximal impedans mellan 100 och 900 kHz.73 material valdes. För modelleringsändamål valde konstruktören också behöver förstå de reaktiva och resistiva delarna av impedansvektorn vid 100 kHz (105 Hz) och 900 kHz. Denna information kan härledas från följande diagram:
Vid 100kHz μs ' = μi = 2500 och (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 eftersom Tan δ = μs ”/ μs' sedan μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Det bör noteras att, som förväntat, tillför μ" mycket lite till den totala permeabilitetsvektorn vid denna låga frekvens.Impedansen hos kärnan är för det mesta induktiv.
Designers vet att kärnan måste acceptera #22 tråd och passa in i ett 10 mm x 5 mm utrymme. Den inre diametern kommer att anges som 0,8 mm. För att lösa den uppskattade impedansen och dess komponenter, välj först en sträng med en ytterdiameter på 10 mm och en höjd av 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 vid 100 kHz
I detta fall, som i de flesta fall, uppnås maximal impedans genom att använda en mindre OD med en längre längd. Om ID är större, t.ex. 4 mm, och vice versa.
Samma tillvägagångssätt kan användas om diagram av impedans per enhet Lo och fasvinkel mot frekvens tillhandahålls. Figurerna 9, 10 och 11 representerar sådana kurvor för samma tre material som används här.
Designers vill garantera maximal impedans över frekvensområdet 25 MHz till 100 MHz. Det tillgängliga kortutrymmet är återigen 10 mm x 5 mm och kärnan måste acceptera #22 awg wire. Med hänvisning till figur 7 för enhetsimpedansen Lo för de tre ferritmaterialen, eller Figur 8 för den komplexa permeabiliteten för samma tre material, välj 850 μi-materialet.[5]Med hjälp av grafen i figur 9 är Z/Lo för materialet med mediumpermeabilitet 350 x 108 ohm/H vid 25 MHz. Lös den uppskattade impedansen:
Den föregående diskussionen antar att den valda kärnan är cylindrisk. Om ferritkärnor används för platta bandkablar, buntade kablar eller perforerade plåtar, blir beräkningen av Lo svårare, och ganska exakta siffror för kärnvägslängd och effektiv area måste erhållas för att beräkna luftkärnans induktans .Detta kan göras genom att matematiskt skära kärnan och lägga till den beräknade väglängden och magnetiska arean för varje skiva. I alla fall kommer dock ökningen eller minskningen av impedansen att vara proportionell mot ökningen eller minskningen i höjden/längden på ferritkärnan.[6]
Som nämnts specificerar de flesta tillverkare kärnor för EMI-applikationer när det gäller impedans, men slutanvändaren behöver vanligtvis känna till dämpningen. Relationen som finns mellan dessa två parametrar är:
Detta förhållande beror på impedansen hos källan som genererar bruset och impedansen hos lasten som tar emot bruset. Dessa värden är vanligtvis komplexa tal, vars räckvidd kan vara oändlig, och är inte lätt tillgängliga för konstruktören. Att välja ett värde på 1 ohm för belastnings- och källimpedanserna, vilket kan uppstå när källan är en switch-mode-strömkälla och laddar många lågimpedanskretsar, förenklar ekvationerna och möjliggör jämförelse av dämpningen av ferritkärnor.
Grafen i figur 12 är en uppsättning kurvor som visar förhållandet mellan skärmvulstimpedans och dämpning för många vanliga värden för belastning plus generatorimpedans.
Figur 13 är en ekvivalent krets för en interferenskälla med ett inre motstånd på Zs.Interferenssignalen genereras av serieimpedansen Zsc för suppressorkärnan och belastningsimpedansen ZL.
Figurerna 14 och 15 är grafer över impedans mot temperatur för samma tre ferritmaterial. Det mest stabila av dessa material är 61-materialet med en 8 % minskning av impedansen vid 100ºC och 100 MHz. Däremot visade 43-materialet en 25 % fall i impedans vid samma frekvens och temperatur. Dessa kurvor, när de tillhandahålls, kan användas för att justera den specificerade rumstemperaturimpedansen om dämpning vid förhöjda temperaturer krävs.
Liksom med temperatur påverkar även likström och 50 eller 60 Hz matningsströmmar samma inneboende ferritegenskaper, vilket i sin tur resulterar i lägre kärnimpedans. Figurerna 16, 17 och 18 är typiska kurvor som illustrerar effekten av förspänning på impedansen hos ett ferritmaterial. .Denna kurva beskriver impedansförsämringen som en funktion av fältstyrkan för ett visst material som en funktion av frekvensen. Det bör noteras att effekten av förspänningen minskar när frekvensen ökar.
Sedan dessa data sammanställdes har Fair-Rite Products introducerat två nya material. Vår 44 är ett material med nickel-zink medellång permeabilitet och vår 31 är ett material med hög permeabilitet i mangan-zink.
Figur 19 är en kurva över impedans mot frekvens för pärlor av samma storlek i 31, 73, 44 och 43 material. 44-materialet är ett förbättrat 43-material med högre DC-resistivitet, 109 ohm cm, bättre värmechockegenskaper, temperaturstabilitet och högre Curie-temperatur (Tc). 44-materialet har något högre impedans kontra frekvensegenskaper jämfört med vårt 43-material. Det stationära materialet 31 uppvisar en högre impedans än antingen 43 eller 44 över hela mätfrekvensområdet. 31:an är utformad för att lindra dimensionsresonansproblem som påverkar lågfrekvensdämpningsprestandan hos större mangan-zinkkärnor och har framgångsrikt tillämpats på kabelanslutningsdämpningskärnor och stora toroidformade kärnor. Figur 20 är en kurva över impedans kontra frekvens för 43, 31 och 73 material för Fair -Rite-kärnor med 0,562" OD, 0,250 ID och 1,125 HT.När man jämför figur 19 och figur 20 bör det noteras att för mindre kärnor, för frekvenser upp till 25 MHz, är 73 material det bästa undertryckarmaterialet.Men när kärnans tvärsnitt ökar, minskar den maximala frekvensen.Som visas i data i figur 20 är 73 bäst. Den högsta frekvensen är 8 MHz.Det är också värt att notera att 31-materialet presterar bra i frekvensområdet från 8 MHz till 300 MHz.Men som en manganzinkferrit har 31-materialet en mycket lägre volymresistivitet på 102 ohm -cm, och fler impedansförändringar vid extrema temperaturförändringar.
Ordlista Air Core Inductance – Lo (H) Induktansen som skulle mätas om kärnan hade enhetlig permeabilitet och flödesfördelningen förblev konstant. Allmän formel Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Ring Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Mått är i mm
Dämpning – A (dB) Minskningen av signalamplituden vid överföring från en punkt till en annan. Det är ett skalärt förhållande mellan ingångsamplitud och utgångsamplitud, i decibel.
Kärnkonstant – C1 (cm-1) Summan av de magnetiska väglängderna för varje sektion av den magnetiska kretsen dividerat med motsvarande magnetiska område i samma sektion.
Kärnkonstant – C2 (cm-3) Summan av de magnetiska kretslängderna för varje sektion av den magnetiska kretsen dividerat med kvadraten på motsvarande magnetiska domän i samma sektion.
De effektiva dimensionerna för magnetbanan Ae (cm2), banlängden le (cm) och volymen Ve (cm3) För en given kärngeometri antas det att den magnetiska banlängden, tvärsnittsarean och volymen för den toroidformade kärnan har samma materialegenskaper som Materialet ska ha magnetiska egenskaper motsvarande den givna kärnan.
Fältstyrka – H (Oersted) En parameter som kännetecknar storleken på fältstyrkan. H = .4 π NI/le (Oersted)
Fluxdensitet – B (Gaussisk) Motsvarande parameter för det inducerade magnetfältet i området vinkelrätt mot flödesvägen.
Impedans – Z (ohm) Impedansen för en ferrit kan uttryckas i termer av dess komplexa permeabilitet.Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Loss Tangent – ​​tan δ Förlusttangensen för en ferrit är lika med den reciproka kretsen Q.
Förlustfaktor – tan δ/μi Fasavlägsnande mellan grundläggande komponenter av magnetisk flödestäthet och fältstyrka med initial permeabilitet.
Magnetisk permeabilitet – μ Den magnetiska permeabiliteten härledd från förhållandet mellan den magnetiska flödestätheten och den applicerade alternerande fältstyrkan är...
Amplitudpermeabilitet, μa – när det angivna värdet på flödestätheten är större än värdet som används för initial permeabilitet.
Effektiv permeabilitet, μe – När den magnetiska vägen är konstruerad med ett eller flera luftgap är permeabiliteten permeabiliteten hos ett hypotetiskt homogent material som skulle ge samma reluktans.
In Compliance är den främsta källan till nyheter, information, utbildning och inspiration för proffs inom el- och elektronikteknik.
Flyg och rymd Fordonskommunikationer Konsumentelektronik Utbildning Energi och kraftindustri Informationsteknik Medicinsk militär och försvar