новости

В нашем идеальном мире безопасность, качество и производительность имеют первостепенное значение. Однако во многих случаях стоимость конечного компонента, включая феррит, становится определяющим фактором. Цель этой статьи – помочь инженерам-конструкторам найти альтернативные ферритовые материалы для снижения расходы.
Желаемые внутренние свойства материала и геометрия сердечника определяются каждым конкретным применением. Неотъемлемыми свойствами, которые определяют производительность в приложениях с низким уровнем сигнала, являются проницаемость (особенно температура), низкие потери в сердечнике и хорошая магнитная стабильность во времени и температуре. Приложения включают высокую добротность. индукторы, синфазные индукторы, широкополосные, согласованные и импульсные трансформаторы, элементы радиоантенны, а также активные и пассивные повторители. Для силовых приложений желательными характеристиками являются высокая плотность потока и низкие потери на рабочей частоте и температуре. Приложения включают импульсные источники питания для зарядка аккумуляторов электромобилей, магнитные усилители, преобразователи постоянного тока в постоянный, сетевые фильтры, катушки зажигания и трансформаторы.
Внутренним свойством, которое оказывает наибольшее влияние на характеристики мягкого феррита в приложениях подавления, является комплексная проницаемость [1], которая пропорциональна импедансу сердечника. Существует три способа использования феррита в качестве подавителя нежелательных сигналов (кондуктивных или излучаемых). ). Первый и наименее распространенный - это практический экран, где ферриты используются для изоляции проводников, компонентов или цепей от окружающей среды излучающего рассеянного электромагнитного поля. Во втором применении ферриты используются с емкостными элементами для создания низкочастотного фильтра. фильтр, т.е. индуктивность – емкостная на низких частотах и ​​рассеиваемая на высоких частотах. Третье и наиболее распространенное применение – это когда ферритовые сердечники используются отдельно для выводов компонентов или цепей уровня платы. В этом случае ферритовый сердечник предотвращает любые паразитные колебания и/или или ослабляет прием или передачу нежелательного сигнала, который может распространяться вдоль выводов компонентов или межсоединений, дорожек или кабелей. Во втором и третьем применениях ферритовые сердечники подавляют кондуктивные электромагнитные помехи, устраняя или значительно уменьшая высокочастотные токи, создаваемые источниками электромагнитных помех. Введение феррита обеспечивает достаточно высокий частотный импеданс для подавления высокочастотных токов. Теоретически идеальный феррит должен обеспечивать высокий импеданс на частотах электромагнитных помех и нулевой импеданс на всех других частотах. Фактически, ферритовые сердечники-подавители обеспечивают частотно-зависимый импеданс. На частотах ниже 1 МГц максимальный импеданс может быть получен в диапазоне от 10 МГц до 500 МГц в зависимости от материала феррита.
Поскольку это соответствует принципам электротехники, где переменное напряжение и ток представлены комплексными параметрами, проницаемость материала может быть выражена как комплексный параметр, состоящий из действительной и мнимой частей. Это демонстрируется на высоких частотах, где проницаемость распадается на две составляющие. Действительная часть (μ') представляет собой реактивную часть, которая находится в фазе с переменным магнитным полем [2], а мнимая часть (μ») представляет потери, которые находятся в противофазе с переменным магнитным полем. переменное магнитное поле. Они могут быть выражены как последовательные компоненты (μs'μs») или параллельные компоненты (μp'μp»). Графики на рисунках 1, 2 и 3 показывают рядовые компоненты комплексной начальной проницаемости в зависимости от частоты для трех ферритовых материалов. Тип материала 73 – марганец-цинковый феррит, исходная магнитная проводимость – 2500. Тип материала 43 – никель-цинковый феррит с начальной проницаемостью 850. Тип материала 61 – никель-цинковый феррит с начальной проницаемостью 125.
Сосредоточив внимание на последовательной составляющей материала типа 61 на рисунке 3, мы видим, что реальная часть проницаемости, «мкс», остается постоянной с увеличением частоты, пока не будет достигнута критическая частота, а затем быстро уменьшается. Потери «мкс» возрастают. а затем достигает пика по мере падения мкс. Такое уменьшение мкс обусловлено возникновением ферримагнитного резонанса. [3] Следует отметить, что чем выше проницаемость, тем ниже частота. Эту обратную зависимость впервые заметил Снук и дал следующую формулу:
где: ƒres = мкс» частота при максимуме γ = гиромагнитное отношение = 0,22 x 106 А-1 м μi = начальная проницаемость Msat = 250-350 Ам-1
Поскольку ферритовые сердечники, используемые в приложениях с низким уровнем сигнала и мощности, ориентированы на магнитные параметры ниже этой частоты, производители ферритов редко публикуют данные о проницаемости и/или потерях на более высоких частотах. Однако данные о более высоких частотах необходимы при выборе ферритовых сердечников для подавления электромагнитных помех.
Характеристикой, которую большинство производителей ферритов указывают для компонентов, используемых для подавления электромагнитных помех, является импеданс. Импеданс легко измеряется с помощью имеющегося в продаже анализатора с прямым цифровым считыванием. К сожалению, импеданс обычно указывается на определенной частоте и представляет собой скаляр, представляющий величину комплекса. вектор импеданса. Хотя эта информация ценна, ее часто недостаточно, особенно при моделировании характеристик схемы из ферритов. Для достижения этого необходимо иметь значение импеданса и фазовый угол компонента или комплексную проницаемость конкретного материала.
Но даже прежде чем приступить к моделированию работы ферритовых компонентов в схеме, проектировщики должны знать следующее:
где µ'= действительная часть комплексной проницаемости µ”= мнимая часть комплексной проницаемости j = мнимый вектор единицы Lo = индуктивность воздушного сердечника
Импеданс железного сердечника также считается последовательной комбинацией индуктивного реактивного сопротивления (XL) и сопротивления потерь (Rs), оба из которых зависят от частоты. Сердечник без потерь будет иметь полное сопротивление, определяемое реактивным сопротивлением:
где: Rs = общее последовательное сопротивление = Rm + Re Rm = эквивалентное последовательное сопротивление из-за магнитных потерь Re = эквивалентное последовательное сопротивление из-за потерь в меди
На низких частотах импеданс компонента в основном индуктивный. С увеличением частоты индуктивность уменьшается, а потери увеличиваются, а общий импеданс увеличивается. На рисунке 4 показан типичный график зависимости XL, Rs и Z от частоты для наших материалов со средней проницаемостью. .
Тогда индуктивное реактивное сопротивление пропорционально действительной части комплексной проницаемости на Lo, индуктивность воздушного сердечника:
Сопротивление потерь также пропорционально мнимой части комплексной проницаемости на ту же константу:
В уравнении 9 материал сердечника определяется как «мкс» и «мкс», а геометрия сердечника определяется как Lo. Следовательно, зная комплексную проницаемость различных ферритов, можно провести сравнение, чтобы получить наиболее подходящий материал при желаемой цене. частота или диапазон частот. После выбора лучшего материала пришло время выбрать компоненты наилучшего размера. Векторное представление комплексной проницаемости и импеданса показано на рисунке 5.
Сравнение форм сердечников и материалов сердечников для оптимизации импеданса является простым, если производитель предоставляет график зависимости комплексной проницаемости от частоты для ферритовых материалов, рекомендуемых для подавления. К сожалению, эта информация редко доступна. Однако большинство производителей предоставляют начальную проницаемость и потери в зависимости от частоты. кривые. На основании этих данных можно провести сравнение материалов, используемых для оптимизации импеданса сердечника.
На рисунке 6 показаны начальные коэффициенты проницаемости и рассеяния [4] материала Fair-Rite 73 в зависимости от частоты, при условии, что разработчик хочет гарантировать максимальное сопротивление в диапазоне от 100 до 900 кГц. Были выбраны материалы 73. В целях моделирования разработчик также необходимо понять реактивную и резистивную части вектора импеданса на частотах 100 кГц (105 Гц) и 900 кГц. Эту информацию можно получить из следующей таблицы:
На частоте 100 кГц µs' = µi = 2500 и (Tan δ / µi) = 7 x 10-6, поскольку Tan δ = µs ”/ µs', то µs” = (Tan δ / µi) x (μi) 2 = 43,8
Следует отметить, что, как и ожидалось, µ” очень мало добавляет к общему вектору проницаемости на такой низкой частоте. Сопротивление сердечника в основном индуктивное.
Конструкторы знают, что сердечник должен принимать провод № 22 и помещаться в пространство размером 10 x 5 мм. Внутренний диаметр будет указан как 0,8 мм. Чтобы рассчитать расчетное сопротивление и его компоненты, сначала выберите шарик с внешним диаметром 10 мм и высотой 5 мм:
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 Ом при 100 кГц
В этом случае, как и в большинстве случаев, максимальный импеданс достигается за счет использования меньшего наружного диаметра и большей длины. Если внутренний диаметр больше, например, 4 мм, и наоборот.
Тот же подход можно использовать, если предоставить графики импеданса на единицу Lo и фазового угла в зависимости от частоты. На рисунках 9, 10 и 11 представлены такие кривые для тех же трех материалов, используемых здесь.
Разработчики хотят гарантировать максимальный импеданс в диапазоне частот от 25 до 100 МГц. Доступное пространство на плате снова составляет 10 x 5 мм, а сердечник должен принимать провод AWG № 22. На рисунке 7 показано единичное сопротивление Lo трех ферритовых материалов: или рисунок 8 для комплексной проницаемости тех же трех материалов, выберите материал 850 мкм.[5] Используя график на рисунке 9, Z/Lo материала со средней проницаемостью составляет 350 x 108 Ом/Г на частоте 25 МГц. Определите расчетное сопротивление:
В предыдущем обсуждении предполагается, что выбранный сердечник имеет цилиндрическую форму. Если ферритовые сердечники используются для плоских ленточных кабелей, жгутов кабелей или перфорированных пластин, расчет Lo становится более сложным, и необходимо получить довольно точные значения длины пути сердечника и эффективной площади. для расчета индуктивности воздушного сердечника. Это можно сделать путем математического разрезания сердечника и добавления рассчитанной длины пути и магнитной площади для каждого среза. Однако во всех случаях увеличение или уменьшение импеданса будет пропорционально увеличению или уменьшению высота/длина ферритового сердечника.[6]
Как уже упоминалось, большинство производителей указывают сопротивление сердечников для приложений EMI с точки зрения импеданса, но конечному пользователю обычно необходимо знать затухание. Между этими двумя параметрами существует следующая связь:
Это соотношение зависит от импеданса источника, генерирующего шум, и импеданса нагрузки, воспринимающей шум. Эти значения обычно представляют собой комплексные числа, диапазон которых может быть бесконечным, и они недоступны разработчику. Выбор значения Сопротивление 1 Ом для импеданса нагрузки и источника, которое может возникнуть, когда источником является импульсный источник питания и нагружает множество цепей с низким импедансом, упрощает уравнения и позволяет сравнивать затухание ферритовых сердечников.
График на рисунке 12 представляет собой набор кривых, показывающих взаимосвязь между импедансом экранирующей шайбы и затуханием для многих распространенных значений нагрузки плюс импеданс генератора.
На рисунке 13 представлена ​​эквивалентная схема источника помех с внутренним сопротивлением Zs. Сигнал помех генерируется последовательным сопротивлением Zsc сердечника подавителя и сопротивлением нагрузки ZL.
На рисунках 14 и 15 представлены графики зависимости импеданса от температуры для тех же трех ферритовых материалов. Наиболее стабильным из этих материалов является материал 61 с уменьшением импеданса на 8% при 100°C и 100 МГц. Напротив, материал 43 показал сопротивление 25 Падение импеданса в % при той же частоте и температуре. Эти кривые, если они предусмотрены, можно использовать для регулировки импеданса при указанной комнатной температуре, если требуется затухание при повышенных температурах.
Как и температура, постоянный ток и токи питания частотой 50 или 60 Гц также влияют на те же свойства, присущие ферриту, что, в свою очередь, приводит к снижению импеданса сердечника. На рисунках 16, 17 и 18 показаны типичные кривые, иллюстрирующие влияние смещения на импеданс ферритового материала. Эта кривая описывает ухудшение импеданса как функцию напряженности поля для конкретного материала в зависимости от частоты. Следует отметить, что влияние смещения уменьшается с увеличением частоты.
С момента сбора этих данных компания Fair-Rite Products представила два новых материала. Наш 44 — это никель-цинковый материал со средней проницаемостью, а наш 31 — марганцево-цинковый материал с высокой проницаемостью.
Рисунок 19 представляет собой график зависимости импеданса от частоты для шариков одинакового размера в материалах 31, 73, 44 и 43. Материал 44 представляет собой улучшенный материал 43 с более высоким удельным сопротивлением постоянному току, 109 Ом·см, лучшими термоударными свойствами, температурной стабильностью и более высокая температура Кюри (Tc). Материал 44 имеет несколько более высокие характеристики импеданса в зависимости от частоты по сравнению с нашим материалом 43. Неподвижный материал 31 демонстрирует более высокий импеданс, чем 43 или 44, во всем диапазоне частот измерения. Материал 31 предназначен для облегчения проблема размерного резонанса, которая влияет на характеристики подавления низких частот в более крупных марганцево-цинковых сердечниках и успешно применяется к сердечникам подавления кабельных разъемов и большим тороидальным сердечникам. На рисунке 20 показан график зависимости импеданса от частоты для материалов 43, 31 и 73 для Fair. -Сердечники Rite с внешним диаметром 0,562 дюйма, внутренним диаметром 0,250 дюйма и высотой 1,125 дюйма. При сравнении рисунков 19 и 20 следует отметить, что для сердечников меньшего размера, для частот до 25 МГц, материал 73 является лучшим подавителем. Однако с увеличением сечения сердечника максимальная частота уменьшается. Как видно из данных на рисунке 20, лучшим является 73. Самая высокая частота — 8 МГц. Также стоит отметить, что материал 31 хорошо себя проявляет в диапазоне частот от 8 МГц до 300 МГц. Однако, как марганец-цинковый феррит, материал 31 имеет гораздо меньшее объемное сопротивление — 102 Ом-см, и большее изменение импеданса при резких изменениях температуры.
Глоссарий Индуктивность воздушного сердечника – Lo (H) Индуктивность, которую можно было бы измерить, если бы сердечник имел однородную проницаемость и распределение магнитного потока оставалось постоянным. Общая формула Lo = 4π N2 10-9 (H) C1 Ring Lo = 0,0461 N2 log10 (OD) /ID) Ht 10-8 (H) Размеры указаны в мм.
Затухание – A (дБ). Уменьшение амплитуды сигнала при передаче из одной точки в другую. Это скалярное отношение входной амплитуды к выходной амплитуде в децибелах.
Константа сердечника – C1 (см-1) Сумма длин магнитного пути каждой секции магнитной цепи, деленная на соответствующую магнитную область той же секции.
Константа сердечника – C2 (см-3) Сумма длин магнитной цепи каждой секции магнитной цепи, деленная на квадрат соответствующего магнитного домена той же секции.
Эффективные размеры площади магнитного пути Ae (см2), длины пути le (см) и объема Ve (см3) Для заданной геометрии сердечника предполагается, что длина магнитного пути, площадь поперечного сечения и объем Тороидальный сердечник имеет те же свойства материала, что и Материал должен иметь магнитные свойства, эквивалентные данному сердечнику.
Напряженность поля – H (Эрстед) Параметр, характеризующий величину напряженности поля. H = .4 π NI/le (Эрстед)
Плотность потока – B (гауссова) Соответствующий параметр индуцированного магнитного поля в области, нормальной к пути потока.
Импеданс – Z (Ом) Импеданс феррита можно выразить через его комплексную проницаемость. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs») (Ом).
Тангенс потерь – tan δ Тангенс потерь феррита равен обратной величине контура Q.
Коэффициент потерь – tan δ/μi Удаление фазы между фундаментальными компонентами плотности магнитного потока и напряженности поля с начальной проницаемостью.
Магнитная проницаемость – μ Магнитная проницаемость, получаемая из соотношения плотности магнитного потока и напряженности приложенного переменного поля, равна…
Амплитудная проницаемость, мкА – когда заданное значение плотности потока больше значения, используемого для начальной проницаемости.
Эффективная проницаемость, мкэ. Когда магнитная трасса построена с одним или несколькими воздушными зазорами, проницаемость представляет собой проницаемость гипотетического однородного материала, который обеспечивал бы такое же сопротивление.
In Compliance — главный источник новостей, информации, образования и вдохновения для специалистов в области электротехники и электроники.
Аэрокосмическая промышленность Автомобильная промышленность Коммуникации Бытовая электроника Образование Энергетика Информационные технологии Медицина Военная и оборонная промышленность