správy

V našom ideálnom svete sú bezpečnosť, kvalita a výkon prvoradé. V mnohých prípadoch sa však cena konečného komponentu vrátane feritu stala určujúcim faktorom. Cieľom tohto článku je pomôcť konštruktérom nájsť alternatívne feritové materiály na zníženie náklady.
Požadované vnútorné vlastnosti materiálu a geometria jadra sú určené každou špecifickou aplikáciou. Inherentnými vlastnosťami, ktoré riadia výkon v aplikáciách s nízkou úrovňou signálu, sú priepustnosť (najmä teplota), nízke straty v jadre a dobrá magnetická stabilita v priebehu času a teploty. Aplikácie zahŕňajú vysokú kvalitu tlmivky, tlmivky so spoločným režimom, širokopásmové, prispôsobené a pulzné transformátory, rádiové anténne prvky a aktívne a pasívne zosilňovače. Pre energetické aplikácie sú žiaducou charakteristikou vysoká hustota toku a nízke straty pri prevádzkovej frekvencii a teplote. Aplikácie zahŕňajú spínané napájacie zdroje pre nabíjanie batérií elektrických vozidiel, magnetické zosilňovače, DC-DC meniče, výkonové filtre, zapaľovacie cievky a transformátory.
Vnútornou vlastnosťou, ktorá má najväčší vplyv na výkon mäkkého feritu v aplikáciách potlačenia, je komplexná permeabilita [1], ktorá je úmerná impedancii jadra. Existujú tri spôsoby použitia feritu ako potlačovača nežiaducich signálov (vodených alebo vyžarovaných Prvý, a najmenej bežný, je ako praktické tienenie, kde sa ferity používajú na izoláciu vodičov, komponentov alebo obvodov od prostredia vyžarujúceho rozptýlené elektromagnetické pole. V druhej aplikácii sa ferity používajú s kapacitnými prvkami na vytvorenie dolnopriepustu. filter, tj indukčnosť – kapacitná pri nízkych frekvenciách a rozptyl pri vysokých frekvenciách. Tretie a najbežnejšie použitie je, keď sa feritové jadrá používajú samostatne pre súčiastky alebo obvody na úrovni dosky. V tejto aplikácii feritové jadro zabraňuje akýmkoľvek parazitným osciláciám a/ alebo tlmí nežiaduce zachytávanie alebo prenos signálu, ktorý sa môže šíriť pozdĺž súčiastok alebo prepojení, stôp alebo káblov. V druhej a tretej aplikácii feritové jadrá potláčajú vodivé EMI odstránením alebo výrazným znížením vysokofrekvenčných prúdov odoberaných zdrojmi EMI. Zavedenie feritu poskytuje dostatočne vysoká frekvenčná impedancia na potlačenie vysokofrekvenčných prúdov. Teoreticky by ideálny ferit poskytoval vysokú impedanciu pri frekvenciách EMI a nulovú impedanciu pri všetkých ostatných frekvenciách. V skutočnosti feritové odrušovacie jadrá poskytujú frekvenčne závislú impedanciu. Pri frekvenciách pod 1 MHz maximálnu impedanciu možno získať medzi 10 MHz a 500 MHz v závislosti od feritového materiálu.
Keďže je to v súlade s princípmi elektrotechniky, kde sú striedavé napätie a prúd reprezentované komplexnými parametrami, permeabilita materiálu môže byť vyjadrená ako komplexný parameter pozostávajúci z reálnych a imaginárnych častí. Toto sa prejavuje pri vysokých frekvenciách, kde permeabilita sa delí na dve zložky. Skutočná časť (μ') predstavuje reaktívnu časť, ktorá je vo fáze so striedavým magnetickým poľom [2], zatiaľ čo imaginárna časť (μ“) predstavuje straty, ktoré sú mimo fázy so striedavým magnetickým poľom [2]. striedavé magnetické pole. Tieto môžu byť vyjadrené ako sériové zložky (μs'μs”) alebo paralelné zložky (µp'μp”). Grafy na obrázkoch 1, 2 a 3 znázorňujú sériové zložky komplexnej počiatočnej permeability ako funkciu frekvencie pre tri feritové materiály. Materiál typu 73 je mangán-zinkový ferit, počiatočná magnetická vodivosť je 2500. Materiál typu 43 je nikel-zinkový ferit s počiatočnou permeabilitou 850. Materiál typu 61 je nikel-zinkový ferit s počiatočnou permeabilitou 125.
Ak sa zameriame na sériovú zložku materiálu typu 61 na obrázku 3, vidíme, že skutočná časť permeability μs' zostáva konštantná so zvyšujúcou sa frekvenciou, kým sa nedosiahne kritická frekvencia, a potom rýchlo klesá. Strata alebo μs“ stúpa a potom vrcholí pri poklese μs. Tento pokles v μs je spôsobený nástupom ferimagnetickej rezonancie. [3] Treba si uvedomiť, že čím vyššia priepustnosť, tým viac Čím nižšia frekvencia. Tento inverzný vzťah prvýkrát pozoroval Snoek a dal nasledujúci vzorec:
kde: ƒres = μs” frekvencia pri maxime γ = gyromagnetický pomer = 0,22 x 106 A-1 m μi = počiatočná permeabilita Msat = 250-350 Am-1
Keďže feritové jadrá používané v aplikáciách s nízkou úrovňou signálu a napájaním sa zameriavajú na magnetické parametre pod touto frekvenciou, výrobcovia feritov zriedkavo zverejňujú údaje o priepustnosti a/alebo stratách pri vyšších frekvenciách. Údaje o vyššej frekvencii sú však nevyhnutné pri špecifikácii feritových jadier na potlačenie EMI.
Charakteristikou, ktorú väčšina výrobcov feritov špecifikuje pre komponenty používané na potlačenie EMI, je impedancia. Impedancia sa dá ľahko merať na komerčne dostupnom analyzátore s priamym digitálnym odčítaním. Bohužiaľ, impedancia je zvyčajne špecifikovaná na špecifickej frekvencii a je skalárom reprezentujúcim veľkosť komplexu. vektor impedancie. Aj keď sú tieto informácie cenné, často sú nedostatočné, najmä pri modelovaní výkonu obvodu feritov. Aby sa to dosiahlo, musí byť k dispozícii hodnota impedancie a fázový uhol súčiastky alebo komplexná permeabilita konkrétneho materiálu.
Ale ešte pred začatím modelovania výkonu feritových komponentov v obvode by dizajnéri mali vedieť nasledovné:
kde μ'= reálna časť komplexnej permeability μ”= imaginárna časť komplexnej permeability j = imaginárny vektor jednotky Lo= indukčnosť vzduchového jadra
Impedancia železného jadra sa tiež považuje za sériovú kombináciu indukčnej reaktancie (XL) a stratového odporu (Rs), pričom obe sú závislé od frekvencie. Bezstratové jadro bude mať impedanciu danú reaktanciou:
kde: Rs = celkový sériový odpor = Rm + Re Rm = ekvivalentný sériový odpor v dôsledku magnetických strát Re = ekvivalentný sériový odpor pre straty medi
Pri nízkych frekvenciách je impedancia komponentu primárne indukčná. So zvyšujúcou sa frekvenciou sa indukčnosť znižuje, zatiaľ čo straty sa zvyšujú a celková impedancia sa zvyšuje. Obrázok 4 je typický graf XL, Rs a Z oproti frekvencii pre naše materiály so strednou priepustnosťou .
Potom je indukčná reaktancia úmerná skutočnej časti komplexnej permeability pomocou Lo, indukčnosti vzduchového jadra:
Stratová odolnosť je tiež úmerná imaginárnej časti komplexnej permeability tou istou konštantou:
V rovnici 9 je materiál jadra daný µs' a µs“ a geometria jadra je daná Lo. Preto po poznaní komplexnej permeability rôznych feritov je možné vykonať porovnanie, aby sa získal najvhodnejší materiál pri požadovanom frekvencia alebo frekvenčný rozsah.Po výbere najlepšieho materiálu prichádza na rad výber komponentov najlepšej veľkosti.Vektorové znázornenie komplexnej permeability a impedancie je znázornené na obrázku 5. Obr.
Porovnanie tvarov jadra a materiálov jadra na optimalizáciu impedancie je jednoduché, ak výrobca poskytne graf komplexnej permeability verzus frekvencia pre feritové materiály odporúčané pre potlačovacie aplikácie. Bohužiaľ, tieto informácie sú len zriedka dostupné. Väčšina výrobcov však uvádza počiatočnú priepustnosť a stratu verzus frekvencia Z týchto údajov možno odvodiť porovnanie materiálov použitých na optimalizáciu impedancie jadra.
S odkazom na obrázok 6, počiatočná priepustnosť a faktor rozptylu [4] materiálu Fair-Rite 73 verzus frekvencia za predpokladu, že dizajnér chce zaručiť maximálnu impedanciu medzi 100 a 900 kHz. Boli vybrané materiály 73. Na účely modelovania dizajnér tiež potrebuje porozumieť reaktívnej a odporovej časti impedančného vektora pri 100 kHz (105 Hz) a 900 kHz.Tieto informácie možno odvodiť z nasledujúcej tabuľky:
Pri 100 kHz μs ' = μi = 2500 a (Tan δ / μi) = 7 x 10-6, pretože Tan δ = μs ”/ μs' potom μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Treba poznamenať, že ako sa očakávalo, μ“ pridáva veľmi málo k celkovému vektoru permeability pri tejto nízkej frekvencii. Impedancia jadra je väčšinou indukčná.
Dizajnéri vedia, že jadro musí prijať drôt #22 a zmestiť sa do priestoru 10 mm x 5 mm. Vnútorný priemer bude špecifikovaný ako 0,8 mm. Ak chcete vyriešiť odhadovanú impedanciu a jej komponenty, najprv vyberte lem s vonkajším priemerom 10 mm a výška 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 ohmov pri 100 kHz
V tomto prípade, ako vo väčšine prípadov, sa maximálna impedancia dosiahne použitím menšieho OD s väčšou dĺžkou. Ak je vnútorný priemer väčší, napr. 4 mm, a naopak.
Rovnaký prístup možno použiť, ak sú poskytnuté grafy impedancie na jednotku Lo a fázový uhol verzus frekvencia. Obrázky 9, 10 a 11 predstavujú takéto krivky pre rovnaké tri materiály, ktoré sa tu používajú.
Dizajnéri chcú zaručiť maximálnu impedanciu vo frekvenčnom rozsahu 25 MHz až 100 MHz. Dostupný priestor na doske je opäť 10 mm x 5 mm a jadro musí akceptovať vodič # 22 awg. Na obrázku 7 je uvedená jednotková impedancia Lo troch feritových materiálov, alebo Obrázok 8 pre komplexnú permeabilitu rovnakých troch materiálov, vyberte materiál 850 μi.[5] Pomocou grafu na obrázku 9 je Z/Lo materiálu so strednou priepustnosťou 350 x 108 ohm/H pri 25 MHz. Vyriešte odhadovanú impedanciu:
Predchádzajúca diskusia predpokladá, že jadro výberu je valcové. Ak sa feritové jadrá používajú pre ploché páskové káble, zväzky káblov alebo perforované platne, výpočet Lo sa stáva zložitejším a je potrebné získať pomerne presné údaje o dĺžke dráhy jadra a efektívnej ploche. na výpočet indukčnosti vzduchového jadra .To možno vykonať matematickým rozrezaním jadra a pridaním vypočítanej dĺžky dráhy a magnetickej plochy pre každý rez.Vo všetkých prípadoch však bude zvýšenie alebo zníženie impedancie úmerné zvýšeniu alebo zníženiu výška/dĺžka feritového jadra.[6]
Ako už bolo spomenuté, väčšina výrobcov špecifikuje jadrá pre aplikácie EMI z hľadiska impedancie, ale koncový používateľ zvyčajne potrebuje poznať útlm. Vzťah, ktorý existuje medzi týmito dvoma parametrami, je:
Tento vzťah závisí od impedancie zdroja generujúceho hluk a od impedancie záťaže prijímajúcej hluk. Tieto hodnoty sú zvyčajne komplexné čísla, ktorých rozsah môže byť nekonečný a nie sú ľahko dostupné pre projektanta. Voľba hodnoty 1 ohm pre záťaž a impedanciu zdroja, ktorá sa môže vyskytnúť, keď je zdrojom spínaný zdroj a zaťažuje mnoho nízkoimpedančných obvodov, zjednodušuje rovnice a umožňuje porovnanie útlmu feritových jadier.
Graf na obrázku 12 je súbor kriviek zobrazujúcich vzťah medzi impedanciou tienidla a útlmom pre mnohé bežné hodnoty záťaže plus impedancia generátora.
Obrázok 13 je ekvivalentný obvod zdroja rušenia s vnútorným odporom Zs. Rušivý signál je generovaný sériovou impedanciou Zsc odrušovacieho jadra a zaťažovacou impedanciou ZL.
Obrázky 14 a 15 sú grafy závislosti impedancie na teplote pre rovnaké tri feritové materiály. Najstabilnejší z týchto materiálov je materiál 61 s 8 % znížením impedancie pri 100 °C a 100 MHz. Na rozdiel od toho materiál 43 vykazoval % poklesu impedancie pri rovnakej frekvencii a teplote. Tieto krivky, ak sú k dispozícii, sa môžu použiť na úpravu špecifikovanej impedancie izbovej teploty, ak sa vyžaduje útlm pri zvýšených teplotách.
Rovnako ako pri teplote, jednosmerný prúd a napájacie prúdy 50 alebo 60 Hz tiež ovplyvňujú rovnaké prirodzené vlastnosti feritu, čo následne vedie k nižšej impedancii jadra. Obrázky 16, 17 a 18 sú typické krivky znázorňujúce vplyv predpätia na impedanciu feritového materiálu. .Táto krivka popisuje degradáciu impedancie ako funkciu intenzity poľa pre konkrétny materiál ako funkciu frekvencie. Je potrebné poznamenať, že účinok skreslenia sa zmenšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou.
Od zostavenia týchto údajov spoločnosť Fair-Rite Products predstavila dva nové materiály. Náš 44 je nikel-zinkový materiál so strednou priepustnosťou a náš 31 je materiál s vysokou priepustnosťou mangán-zinok.
Obrázok 19 je graf impedancie versus frekvencia pre guľôčky rovnakej veľkosti v materiáloch 31, 73, 44 a 43. Materiál 44 je vylepšený materiál 43 s vyšším jednosmerným odporom, 109 ohm cm, lepšími vlastnosťami tepelného šoku, teplotnou stabilitou a vyššia Curieova teplota (Tc). Materiál 44 má mierne vyššiu impedanciu oproti frekvenčným charakteristikám v porovnaní s naším materiálom 43. Stacionárny materiál 31 vykazuje vyššiu impedanciu ako 43 alebo 44 v celom frekvenčnom rozsahu merania. 31 je navrhnutý na zmiernenie problém rozmerovej rezonancie, ktorý ovplyvňuje nízkofrekvenčné potlačenie väčších mangánovo-zinkových jadier a bol úspešne aplikovaný na odrušovacie jadrá káblových konektorov a veľké toroidné jadrá. Obrázok 20 je graf impedancie versus frekvencia pre materiály 43, 31 a 73 pre Fair -Obradové jadrá s vonkajším priemerom 0,562″, vnútorným priemerom 0,250 a 1,125 HT. Pri porovnaní obrázku 19 a obrázku 20 je potrebné poznamenať, že pre menšie jadrá, pre frekvencie do 25 MHz, je materiál 73 najlepším supresorovým materiálom. Keď sa však prierez jadra zväčšuje, maximálna frekvencia klesá. Ako ukazujú údaje na obrázku 20, 73 je najlepšie Najvyššia frekvencia je 8 MHz. Za zmienku tiež stojí, že materiál 31 funguje dobre vo frekvenčnom rozsahu od 8 MHz do 300 MHz. Avšak ako ferit mangánu a zinku má materiál 31 oveľa nižší objemový odpor 102 ohmov-cm a väčšie zmeny impedancie pri extrémnych teplotných zmenách.
Glosár Indukčnosť vzduchového jadra – Lo (H) Indukčnosť, ktorá by sa namerala, keby jadro malo rovnomernú priepustnosť a rozloženie toku zostalo konštantné. Všeobecný vzorec Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 krúžok Lo = 0,0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (V) Rozmery sú v mm
Útlm – A (dB) Zníženie amplitúdy signálu pri prenose z jedného bodu do druhého. Je to skalárny pomer vstupnej amplitúdy k výstupnej amplitúde v decibeloch.
Konštanta jadra – C1 (cm-1) Súčet dĺžok magnetickej dráhy každej sekcie magnetického obvodu vydelený zodpovedajúcou magnetickou oblasťou tej istej sekcie.
Konštanta jadra – C2 (cm-3) Súčet dĺžok magnetického obvodu každej sekcie magnetického obvodu delený druhou mocninou zodpovedajúcej magnetickej domény tej istej sekcie.
Efektívne rozmery plochy magnetickej dráhy Ae (cm2), dĺžka dráhy le (cm) a objem Ve (cm3) Pre danú geometriu jadra sa predpokladá, že dĺžka magnetickej dráhy, plocha prierezu a objem toroidné jadro má rovnaké materiálové vlastnosti ako Materiál by mal mať magnetické vlastnosti ekvivalentné danému jadru.
Sila poľa – H (Oersted) Parameter charakterizujúci veľkosť intenzity poľa. H = 0,4 π NI/le (Oersted)
Hustota toku – B (Gaussova) Zodpovedajúci parameter indukovaného magnetického poľa v oblasti kolmej na dráhu toku.
Impedancia – Z (ohm) Impedanciu feritu možno vyjadriť ako komplexnú permeabilitu. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Tangenta straty – tan δ Tangenta straty feritu sa rovná recipročnej hodnote obvodu Q.
Stratový faktor – tan δ/μi Odstránenie fázy medzi základnými zložkami hustoty magnetického toku a intenzity poľa s počiatočnou permeabilitou.
Magnetická permeabilita – μ Magnetická permeabilita odvodená z pomeru hustoty magnetického toku a použitej intenzity striedavého poľa je…
Amplitúdová permeabilita, μa – keď je špecifikovaná hodnota hustoty toku väčšia ako hodnota použitá pre počiatočnú permeabilitu.
Efektívna permeabilita, μe – Keď je magnetická cesta konštruovaná s jednou alebo viacerými vzduchovými medzerami, permeabilita je permeabilita hypotetického homogénneho materiálu, ktorý by poskytoval rovnakú reluktanciu.
In Compliance je hlavným zdrojom správ, informácií, vzdelávania a inšpirácie pre profesionálov v elektrotechnike a elektronike.
Letectvo Automobilový priemysel Komunikácia Spotrebná elektronika Vzdelávanie Energetika a energetika Informačné technológie Lekárstvo, armáda a obrana