novice

V našem idealnem svetu so varnost, kakovost in zmogljivost najpomembnejši. V mnogih primerih pa so stroški končne komponente, vključno s feritom, postali odločilni dejavnik. Ta članek naj bi oblikovalcem pomagal najti alternativne feritne materiale za zmanjšanje stroški.
Želene intrinzične lastnosti materiala in geometrijo jedra določa vsaka posebna aplikacija. Inherentne lastnosti, ki urejajo delovanje pri aplikacijah z nizkim nivojem signala, so prepustnost (zlasti temperatura), majhne izgube jedra in dobra magnetna stabilnost v času in temperaturi. Aplikacije vključujejo visoko Q induktorji, običajni induktorji, širokopasovni, usklajeni in impulzni transformatorji, radijski antenski elementi ter aktivni in pasivni repetitorji. Za električne aplikacije so zaželene lastnosti visoka gostota pretoka in nizke izgube pri delovni frekvenci in temperaturi. Aplikacije vključujejo preklopne napajalnike za polnjenje baterij za električna vozila, magnetni ojačevalniki, DC-DC pretvorniki, močnostni filtri, vžigalne tuljave in transformatorji.
Notranja lastnost, ki ima največji vpliv na delovanje mehkega ferita v aplikacijah za dušenje, je kompleksna prepustnost [1], ki je sorazmerna z impedanco jedra. Obstajajo trije načini za uporabo ferita kot zaviralca neželenih signalov (prevodnih ali sevanih). ).Prvi in ​​najmanj pogost je kot praktičen ščit, kjer se feriti uporabljajo za izolacijo prevodnikov, komponent ali tokokrogov iz okolja sevajočega elektromagnetnega polja. V drugi aplikaciji se feriti uporabljajo s kapacitivnimi elementi za ustvarjanje nizkoprepustnega filter, tj. induktivnost – kapacitivni pri nizkih frekvencah in disipacija pri visokih frekvencah. Tretja in najpogostejša uporaba je, ko se feritna jedra uporabljajo samo za kable komponent ali vezja na ravni plošče. V tej aplikaciji feritno jedro preprečuje kakršna koli parazitska nihanja in/ ali oslabi neželeno zajemanje ali prenos signala, ki se lahko širi vzdolž komponentnih vodnikov ali medsebojnih povezav, sledi ali kablov. V drugi in tretji aplikaciji feritna jedra zavirajo elektromagnetne motnje z odpravo ali velikim zmanjšanjem visokofrekvenčnih tokov, ki jih črpajo viri elektromagnetnih motenj. Uvedba ferita zagotavlja dovolj visoka frekvenčna impedanca za zatiranje visokofrekvenčnih tokov. Teoretično bi idealen ferit zagotavljal visoko impedanco pri frekvencah EMI in ničelno impedanco pri vseh drugih frekvencah. Dejansko feritna dušilna jedra zagotavljajo impedanco, odvisno od frekvence. Pri frekvencah pod 1 MHz je Največja impedanca se lahko doseže med 10 MHz in 500 MHz, odvisno od feritnega materiala.
Ker je skladna z načeli elektrotehnike, kjer sta izmenična napetost in tok predstavljena s kompleksnimi parametri, je prepustnost materiala mogoče izraziti kot kompleksen parameter, sestavljen iz realnih in imaginarnih delov. To se pokaže pri visokih frekvencah, kjer prepustnost razdeli na dve komponenti. Realni del (μ') predstavlja reaktivni del, ki je v fazi z izmeničnim magnetnim poljem [2], medtem ko imaginarni del (μ”) predstavlja izgube, ki niso v fazi z izmeničnim magnetnim poljem. izmenično magnetno polje.Te so lahko izražene kot serijske komponente (μs'μs”) ali kot vzporedne komponente (µp'µp”).Grafi na slikah 1, 2 in 3 prikazujejo serijsko komponento kompleksne začetne prepustnosti kot funkcijo frekvence za tri feritne materiale.Vrsta materiala 73 je mangan-cink ferit, začetna magnetna prevodnost je 2500. Vrsta materiala 43 je nikelj-cink ferit z začetno prepustnostjo 850. Vrsta materiala 61 je nikelj-cink ferit z začetno prepustnostjo 125.
Če se osredotočimo na serijsko komponento materiala tipa 61 na sliki 3, vidimo, da realni del prepustnosti, μs', ostaja konstanten z naraščajočo frekvenco, dokler ni dosežena kritična frekvenca, nato pa se hitro zmanjša. Izguba ali μs” narašča in nato doseže vrh, ko μs pada.To zmanjšanje μs' je posledica začetka ferimagnetne resonance.[3] Upoštevati je treba, da višja kot je prepustnost, večja je nižja frekvenca.To inverzno razmerje je prvi opazil Snoek in dal naslednjo formulo:
kjer je: ƒres = μs” frekvenca pri največji γ = žiromagnetno razmerje = 0,22 x 106 A-1 m μi = začetna prepustnost Msat = 250-350 Am-1
Ker se feritna jedra, ki se uporabljajo v aplikacijah z nizkim nivojem signala in močjo, osredotočajo na magnetne parametre pod to frekvenco, proizvajalci feritov redko objavljajo podatke o prepustnosti in/ali izgubah pri višjih frekvencah. Vendar so podatki o višjih frekvencah bistveni pri določanju feritnih jeder za zatiranje EMI.
Značilnost, ki jo večina proizvajalcev feritov določi za komponente, ki se uporabljajo za zatiranje elektromagnetnih motenj, je impedanca. Impedanco je enostavno izmeriti na komercialno dostopnem analizatorju z neposrednim digitalnim odčitavanjem. Na žalost je impedanca običajno določena pri določeni frekvenci in je skalar, ki predstavlja velikost kompleksa vektor impedance. Čeprav so te informacije dragocene, so pogosto nezadostne, zlasti pri modeliranju delovanja vezja feritov. Da bi to dosegli, morata biti na voljo vrednost impedance in fazni kot komponente ali kompleksna prepustnost določenega materiala.
Toda še preden začnejo modelirati delovanje feritnih komponent v vezju, morajo oblikovalci vedeti naslednje:
kjer je μ'= realni del kompleksne prepustnosti μ”= imaginarni del kompleksne prepustnosti j = imaginarni vektor enote Lo= induktivnost zračnega jedra
Impedanca železnega jedra se prav tako šteje za serijsko kombinacijo induktivne reaktanse (XL) in izgubne upornosti (Rs), ki sta odvisni od frekvence. Jedro brez izgub bo imelo impedanco, podano z reaktanco:
kjer je: Rs = skupna serijska upornost = Rm + Re Rm = ekvivalentna serijska upornost zaradi magnetnih izgub Re = ekvivalentna serijska upornost za izgube bakra
Pri nizkih frekvencah je impedanca komponente predvsem induktivna. Z naraščanjem frekvence se induktivnost zmanjšuje, medtem ko se izgube povečujejo in skupna impedanca. Slika 4 je tipičen graf XL, Rs in Z glede na frekvenco za naše srednje prepustne materiale .
Potem je induktivna reaktanca sorazmerna z realnim delom kompleksne prepustnosti, z Lo, induktivnostjo zračnega jedra:
Izgubna odpornost je tudi sorazmerna z namišljenim delom kompleksne prepustnosti z isto konstanto:
V enačbi 9 je material jedra podan z µs' in µs", geometrija jedra pa je podana z Lo. Zato je po poznavanju kompleksne prepustnosti različnih feritov mogoče narediti primerjavo, da dobimo najprimernejši material pri želenem frekvenca ali frekvenčno območje. Po izbiri najboljšega materiala je čas, da izberete komponente najboljše velikosti. Vektorska predstavitev kompleksne prepustnosti in impedance je prikazana na sliki 5.
Primerjava oblik jedra in materialov jedra za optimizacijo impedance je enostavna, če proizvajalec zagotovi graf kompleksne prepustnosti glede na frekvenco za feritne materiale, priporočene za aplikacije za dušenje. Na žalost so te informacije le redko na voljo. Vendar pa večina proizvajalcev zagotavlja začetno prepustnost in izgubo glede na frekvenco krivulje. Iz teh podatkov je mogoče izpeljati primerjavo materialov, uporabljenih za optimizacijo impedance jedra.
Sklicujoč se na sliko 6, začetni faktor prepustnosti in disipacije [4] materiala Fair-Rite 73 v odvisnosti od frekvence, ob predpostavki, da želi oblikovalec zagotoviti največjo impedanco med 100 in 900 kHz.73 so bili izbrani materiali. Za namene modeliranja je oblikovalec tudi mora razumeti reaktivne in uporovne dele vektorja impedance pri 100 kHz (105 Hz) in 900 kHz. Te informacije lahko izpeljemo iz naslednje tabele:
Pri 100 kHz μs ' = μi = 2500 in (Tan δ / μi) = 7 x 10-6, ker je Tan δ = μs ”/ μs' potem μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Opozoriti je treba, da kot je bilo pričakovano, µ” doda zelo malo celotnemu vektorju prepustnosti pri tej nizki frekvenci.Impedanca jedra je večinoma induktivna.
Oblikovalci vedo, da mora jedro sprejeti žico #22 in se prilegati v prostor 10 mm x 5 mm. Notranji premer bo naveden kot 0,8 mm. Če želite določiti ocenjeno impedanco in njene komponente, najprej izberite kroglico z zunanjim premerom 10 mm in višine 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 ohmov pri 100 kHz
V tem primeru, tako kot v večini primerov, je največja impedanca dosežena z uporabo manjšega OD z daljšo dolžino. Če je ID večji, npr. 4 mm, in obratno.
Enak pristop je mogoče uporabiti, če so podane krivulje impedance na enoto Lo in faznega kota glede na frekvenco. Slike 9, 10 in 11 predstavljajo takšne krivulje za iste tri materiale, uporabljene tukaj.
Oblikovalci želijo zagotoviti največjo impedanco v frekvenčnem območju od 25 MHz do 100 MHz. Razpoložljiv prostor na plošči je ponovno 10 mm x 5 mm, jedro pa mora sprejeti žico #22 awg. Glede na sliko 7 za impedanco enote Lo treh feritnih materialov, ali slika 8 za kompleksno prepustnost istih treh materialov, izberite material 850 μi.[5]Z uporabo grafa na sliki 9 je Z/Lo materiala s srednjo prepustnostjo 350 x 108 ohm/H pri 25 MHz. Rešite za ocenjeno impedanco:
Prejšnja razprava predpostavlja, da je izbrano jedro cilindrično. Če se feritna jedra uporabljajo za ploščate trakaste kable, kable v snopu ali perforirane plošče, postane izračun Lo težji in pridobiti je treba dokaj natančne podatke o dolžini poti jedra in efektivni površini za izračun induktivnosti zračnega jedra. To lahko storite tako, da matematično razrežete jedro in dodate izračunano dolžino poti in magnetno površino za vsako rezino. V vseh primerih pa bo povečanje ali zmanjšanje impedance sorazmerno s povečanjem ali zmanjšanjem višina/dolžina feritnega jedra.[6]
Kot že omenjeno, večina proizvajalcev določa jedra za aplikacije EMI v smislu impedance, vendar mora končni uporabnik običajno poznati slabljenje. Razmerje, ki obstaja med tema dvema parametroma, je:
To razmerje je odvisno od impedance vira, ki ustvarja hrup, in impedance obremenitve, ki sprejema hrup. Te vrednosti so običajno kompleksna števila, katerih razpon je lahko neskončen, in oblikovalcu niso takoj na voljo. Izbira vrednosti 1 ohm za impedanco obremenitve in vira, ki se lahko pojavi, ko je vir stikalni napajalnik in obremeni veliko nizkoimpedančnih vezij, poenostavlja enačbe in omogoča primerjavo slabljenja feritnih jeder.
Graf na sliki 12 je niz krivulj, ki prikazuje razmerje med impedanco oklopa in slabljenjem za številne skupne vrednosti obremenitve in impedance generatorja.
Slika 13 je ekvivalentno vezje vira motenj z notranjim uporom Zs.Interferenčni signal se ustvari s serijsko impedanco Zsc dušilnega jedra in impedanco bremena ZL.
Sliki 14 in 15 sta grafa impedance glede na temperaturo za iste tri feritne materiale. Najbolj stabilen od teh materialov je material 61 z 8-odstotnim zmanjšanjem impedance pri 100 °C in 100 MHz. V nasprotju s tem je material 43 pokazal 25 % padca impedance pri enaki frekvenci in temperaturi. Te krivulje, če so na voljo, se lahko uporabijo za prilagoditev navedene impedance sobne temperature, če je potrebno dušenje pri povišanih temperaturah.
Kot pri temperaturi tudi napajalni tokovi DC in 50 ali 60 Hz vplivajo na enake inherentne lastnosti ferita, kar posledično povzroči nižjo impedanco jedra. Slike 16, 17 in 18 so tipične krivulje, ki ponazarjajo učinek pristranskosti na impedanco feritnega materiala .Ta krivulja opisuje degradacijo impedance kot funkcijo poljske jakosti za določen material kot funkcijo frekvence. Upoštevati je treba, da se učinek pristranskosti zmanjšuje, ko frekvenca narašča.
Odkar so bili ti podatki zbrani, je Fair-Rite Products predstavil dva nova materiala. Naš 44 je material s srednjo prepustnostjo nikelj-cink, naš 31 pa je material z visoko prepustnostjo mangan-cink.
Slika 19 je graf impedance v odvisnosti od frekvence za kroglice enake velikosti v materialih 31, 73, 44 in 43. Material 44 je izboljšan material 43 z višjo upornostjo na enosmerni tok, 109 ohm cm, boljšimi lastnostmi toplotnega šoka, temperaturno stabilnostjo in višjo Curiejevo temperaturo (Tc). Material 44 ima nekoliko višjo impedanco glede na frekvenčne značilnosti v primerjavi z našim materialom 43. Stacionarni material 31 kaže višjo impedanco kot 43 ali 44 v celotnem merilnem frekvenčnem območju. 31 je zasnovan tako, da ublaži dimenzionalni resonančni problem, ki vpliva na nizkofrekvenčno dušilno zmogljivost večjih manganovo-cinkovih jeder in je bil uspešno uporabljen za dušilna jedra kabelskih konektorjev in velika toroidna jedra. Slika 20 je graf impedance glede na frekvenco za materiale 43, 31 in 73 za Fair -Jedra Rite z 0,562″ OD, 0,250 ID in 1,125 HT.Ko primerjamo sliko 19 in sliko 20, je treba opozoriti, da je za manjša jedra, za frekvence do 25 MHz, material 73 najboljši dušilni material.Ko pa se presek jedra poveča, se največja frekvenca zmanjša.Kot je prikazano v podatkih na sliki 20, je 73 najboljši Najvišja frekvenca je 8 MHz.Omeniti velja tudi, da se material 31 dobro obnese v frekvenčnem območju od 8 MHz do 300 MHz.Vendar pa ima material 31 kot manganov cink ferit veliko nižjo volumsko upornost 102 ohmov -cm in več sprememb impedance z ekstremnimi temperaturnimi spremembami.
Glosar Induktivnost zračnega jedra – Lo (H) Induktivnost, ki bi bila izmerjena, če bi imelo jedro enakomerno prepustnost in bi porazdelitev toka ostala konstantna. Splošna formula Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Obroč Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Mere so v mm
Slabljenje – A (dB) Zmanjšanje amplitude signala pri prenosu od ene točke do druge. Je skalarno razmerje med vhodno amplitudo in izhodno amplitudo v decibelih.
Konstanta jedra – C1 (cm-1) Vsota dolžin magnetnih poti vsakega odseka magnetnega vezja, deljena z ustreznim magnetnim območjem istega odseka.
Konstanta jedra – C2 (cm-3) Vsota dolžin magnetnega vezja vsakega odseka magnetnega vezja, deljena s kvadratom ustrezne magnetne domene istega odseka.
Efektivne dimenzije površine magnetne poti Ae (cm2), dolžine poti le (cm) in prostornine Ve (cm3) Za dano geometrijo jedra se predpostavlja, da so dolžina magnetne poti, površina prečnega prereza in prostornina ima toroidno jedro enake lastnosti materiala kot Material mora imeti enake magnetne lastnosti danemu jedru.
Moč polja – H (Oersted) Parameter, ki označuje velikost jakosti polja. H = 0,4 π NI/le (Oersted)
Gostota pretoka – B (Gaussov) Ustrezen parameter induciranega magnetnega polja v normalnem območju na pot pretoka.
Impedanca – Z (ohm) Impedanco ferita lahko izrazimo v smislu njegove kompleksne prepustnosti. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Tangens izgube – ​​tan δ Tangens izgube ferita je enak recipročni vrednosti vezja Q.
Faktor izgube – tan δ/μi Odstranitev faze med temeljnimi komponentami gostote magnetnega pretoka in poljske jakosti z začetno prepustnostjo.
Magnetna prepustnost – μ Magnetna prepustnost, izpeljana iz razmerja med gostoto magnetnega pretoka in uporabljeno izmenično poljsko jakostjo, je…
Amplitudna prepustnost, μa – ko je določena vrednost gostote pretoka večja od vrednosti, uporabljene za začetno prepustnost.
Efektivna prepustnost, μe – Ko je magnetna pot zgrajena z eno ali več zračnimi režami, je prepustnost prepustnost hipotetičnega homogenega materiala, ki bi zagotovil enako odpornost.
In Compliance je glavni vir novic, informacij, izobraževanja in navdiha za strokovnjake na področju elektrotehnike in elektronike.
Aerospace Avtomobilske komunikacije Potrošniška elektronika Izobraževanje Energetika in električna industrija Informacijska tehnologija Medicina Vojska in obramba