vijesti

U našem idealnom svijetu, sigurnost, kvaliteta i performanse su najvažniji. Međutim, u mnogim slučajevima, cijena završne komponente, uključujući ferit, postala je odlučujući faktor. Ovaj članak je namijenjen da pomogne projektantima da pronađu alternativne feritne materijale za smanjenje trošak.
Željena intrinzična svojstva materijala i geometrija jezgra određuju se za svaku specifičnu aplikaciju. Svojstva koja upravljaju performansama u aplikacijama niskog nivoa signala su propusnost (posebno temperatura), niski gubici jezgre i dobra magnetna stabilnost tokom vremena i temperature. Primjene uključuju visok Q induktori, induktori zajedničkog moda, širokopojasni, usklađeni i impulsni transformatori, elementi radio antene, te aktivni i pasivni repetitori. Za primjene električne energije, visoka gustina fluksa i niski gubici na radnoj frekvenciji i temperaturi su poželjne karakteristike. Primjene uključuju prekidače za napajanje punjenje baterija električnih vozila, magnetna pojačala, DC-DC pretvarači, filteri za napajanje, zavojnice za paljenje i transformatori.
Intrinzično svojstvo koje ima najveći utjecaj na performanse mekog ferita u primjenama supresije je kompleksna permeabilnost [1], koja je proporcionalna impedanciji jezgre. Postoje tri načina da se ferit koristi kao supresor neželjenih signala (provodnih ili zračenih ).Prva, i najmanje uobičajena, je kao praktičan štit, gdje se feriti koriste za izolaciju vodiča, komponenti ili kola od zračećeg elektromagnetskog polja. filter, tj. induktivnost – kapacitivna na niskim frekvencijama i disipacija na visokim frekvencijama. Treća i najčešća upotreba je kada se feritna jezgra koriste sama za sastavne vodove ili kola na nivou ploče. U ovoj primjeni, feritno jezgro sprječava bilo kakve parazitske oscilacije i/ ili prigušuje neželjeni prijem ili prijenos signala koji se može širiti duž komponentnih vodova ili interkonekcija, tragova ili kablova. U drugoj i trećoj primjeni, feritna jezgra potiskuju provodenu elektromagnetnu smetnju eliminacijom ili u velikoj mjeri smanjujući visokofrekventne struje koje povlače EMI izvori. Uvođenje ferita osigurava dovoljno visoka frekvencijska impedancija za potiskivanje visokofrekventnih struja. U teoriji, idealan ferit bi osigurao visoku impedanciju na frekvencijama elektromagnetskih smetnji i nultu impedanciju na svim ostalim frekvencijama. maksimalna impedancija se može postići između 10 MHz i 500 MHz u zavisnosti od feritnog materijala.
Budući da je u skladu s principima elektrotehnike, gdje su naizmjenični napon i struja predstavljeni složenim parametrima, propusnost materijala se može izraziti kao kompleksan parametar koji se sastoji od realnih i imaginarnih dijelova. To se pokazuje na visokim frekvencijama, gdje permeabilnost se deli na dve komponente. Realni deo (μ') predstavlja reaktivni deo koji je u fazi sa naizmeničnim magnetnim poljem [2], dok imaginarni deo (μ”) predstavlja gubitke koji su u suprotnosti sa naizmeničnog magnetnog polja. One se mogu izraziti kao serijske komponente (μs'μs”) ili kao paralelne komponente (µp'µp”). Grafikoni na slikama 1, 2 i 3 prikazuju serijske komponente kompleksne početne permeabilnosti kao funkciju frekvencije za tri feritna materijala. Vrsta materijala 73 je mangan-cink ferit, početna magnetna. Provodljivost je 2500. Tip materijala 43 je nikl-cink ferit sa početnom permeabilnošću od 850. Tip materijala 61 je nikl-cink ferit sa početnom permeabilnošću od 125.
Fokusirajući se na serijsku komponentu materijala tipa 61 na slici 3, vidimo da stvarni dio permeabilnosti, μs', ostaje konstantan sa povećanjem frekvencije sve dok se ne dostigne kritična frekvencija, a zatim se brzo smanjuje. Gubitak ili μs” raste a zatim dostiže vrhunac kako μs pada. Ovo smanjenje μs' je posljedica pojave ferimagnetne rezonancije. [3] Treba napomenuti da što je veća permeabilnost, to je veća frekvencija. Ovu inverznu relaciju je prvi uočio Snoek i dao sljedeću formulu:
gdje je: ƒres = μs” frekvencija pri maksimalnom γ = žiromagnetski odnos = 0,22 x 106 A-1 m μi = početna permeabilnost Msat = 250-350 Am-1
Budući da se feritna jezgra koja se koriste u aplikacijama niskog nivoa signala i snage fokusiraju na magnetne parametre ispod ove frekvencije, proizvođači ferita rijetko objavljuju podatke o permeabilnosti i/ili gubitku na višim frekvencijama. Međutim, podaci o višoj frekvenciji su bitni kada se specificiraju feritna jezgra za suzbijanje EMI.
Karakteristika koju većina proizvođača ferita navodi za komponente koje se koriste za suzbijanje EMI-a je impedansa. Impedansa se lako mjeri na komercijalno dostupnom analizatoru s direktnim digitalnim očitavanjem. Nažalost, impedansa je obično specificirana na određenoj frekvenciji i predstavlja skalar koji predstavlja veličinu kompleksa vektor impedanse. Iako su ove informacije vrijedne, često su nedovoljne, posebno kada se modeliraju performanse kola ferita. Da bi se to postiglo, vrijednost impedance i fazni ugao komponente, ili kompleksna permeabilnost specifičnog materijala, moraju biti dostupni.
Ali čak i prije nego što počnu modelirati performanse feritnih komponenti u kolu, dizajneri bi trebali znati sljedeće:
gdje je μ'= stvarni dio kompleksne permeabilnosti μ”= imaginarni dio kompleksne permeabilnosti j = imaginarni vektor jedinice Lo= induktivnost vazdušnog jezgra
Impedansa željeznog jezgra se također smatra serijom kombinacije induktivne reaktancije (XL) i otpora gubitka (Rs), od kojih oba zavise od frekvencije. Jezgro bez gubitaka će imati impedanciju datu reaktancijom:
gdje je: Rs = ukupni serijski otpor = Rm + Re Rm = ekvivalentni serijski otpor zbog magnetnih gubitaka Re = ekvivalentni serijski otpor za gubitke u bakru
Na niskim frekvencijama, impedansa komponente je prvenstveno induktivna. Kako frekvencija raste, induktivnost se smanjuje dok gubici rastu, a ukupna impedancija raste. Slika 4 je tipičan dijagram XL, Rs i Z u odnosu na frekvenciju za naše materijale srednje propusnosti .
Tada je induktivna reaktancija proporcionalna stvarnom dijelu kompleksne permeabilnosti, prema Lo, induktivnosti vazdušnog jezgra:
Otpor na gubitke je također proporcionalan imaginarnom dijelu kompleksne permeabilnosti za istu konstantu:
U jednačini 9, materijal jezgre je dat sa µs' i µs”, a geometrija jezgra je data sa Lo. Stoga, nakon poznavanja kompleksne permeabilnosti različitih ferita, može se napraviti poređenje kako bi se dobio najprikladniji materijal na željenom frekvencija ili frekventni opseg. Nakon odabira najboljeg materijala, vrijeme je za odabir komponenata najbolje veličine. Vektorski prikaz kompleksne permeabilnosti i impedanse prikazan je na slici 5.
Poređenje oblika jezgre i materijala jezgre za optimizaciju impedanse je jednostavno ako proizvođač pruži graf kompleksne propusnosti naspram frekvencije za feritne materijale preporučene za primjene u suzbijanju. Nažalost, ove informacije su rijetko dostupne. Međutim, većina proizvođača daje početnu propusnost i gubitak u odnosu na frekvenciju krive. Iz ovih podataka može se izvesti poređenje materijala koji se koriste za optimizaciju impedanse jezgre.
Pozivajući se na sliku 6, početni faktor propusnosti i disipacije [4] Fair-Rite 73 materijala u odnosu na frekvenciju, pod pretpostavkom da dizajner želi da garantuje maksimalnu impedanciju između 100 i 900 kHz. Odabrano je 73 materijala. Za potrebe modeliranja, dizajner je također treba razumjeti reaktivne i otporne dijelove vektora impedance na 100 kHz (105 Hz) i 900 kHz. Ove informacije se mogu izvesti iz sljedećeg grafikona:
Na 100 kHz μs ' = μi = 2500 i (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 jer Tan δ = μs ”/ μs' zatim μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Treba napomenuti da, kao što se očekivalo, μ” dodaje vrlo malo vektoru ukupne permeabilnosti na ovoj niskoj frekvenciji. Impedansa jezgre je uglavnom induktivna.
Dizajneri znaju da jezgro mora prihvatiti žicu #22 i stati u prostor od 10 mm x 5 mm. Unutrašnji prečnik će biti određen kao 0,8 mm. Da biste riješili procijenjenu impedanciju i njene komponente, prvo odaberite zrno sa vanjskim prečnikom od 10 mm i visine 5 mm:
Z= ωLo (2500.38) = (6.28 x 105) x .0461 x log10 (5/.8) x 10 x (2500.38) x 10-8= 5.76 oma na 100 kHz
U ovom slučaju, kao iu većini slučajeva, maksimalna impedansa se postiže korištenjem manjeg OD-a sa većom dužinom. Ako je ID veći, npr. 4mm, i obrnuto.
Isti pristup se može koristiti ako se daju grafikoni impedanse po jedinici Lo i faznog ugla u odnosu na frekvenciju. Slike 9, 10 i 11 predstavljaju takve krive za ista tri materijala korišćena ovde.
Dizajneri žele da garantuju maksimalnu impedanciju u frekventnom opsegu od 25 MHz do 100 MHz. Raspoloživi prostor na ploči je ponovo 10 mm x 5 mm i jezgro mora prihvatiti #22 awg žicu. Pozivajući se na sliku 7 za impedanciju jedinice Lo tri feritna materijala, ili Slika 8 za kompleksnu permeabilnost ista tri materijala, odaberite materijal od 850 μi.[5] Koristeći grafikon na slici 9, Z/Lo materijala srednje propusnosti je 350 x 108 ohm/H na 25 MHz. Rješite za procijenjenu impedanciju:
Prethodna rasprava pretpostavlja da je jezgra po izboru cilindrična. Ako se feritna jezgra koriste za ravne trakaste kablove, upletene kablove ili perforirane ploče, izračunavanje Lo postaje teže i moraju se dobiti prilično precizne dužine putanje jezgra i efektivne površine. za izračunavanje induktivnosti vazdušnog jezgra. Ovo se može uraditi matematičkim presecanjem jezgra i dodavanjem izračunate dužine putanje i magnetne površine za svaki presek. U svim slučajevima, međutim, povećanje ili smanjenje impedanse će biti proporcionalno povećanju ili smanjenju visina/dužina feritnog jezgra.[6]
Kao što je spomenuto, većina proizvođača specificira jezgre za EMI aplikacije u smislu impedancije, ali krajnji korisnik obično mora znati prigušenje. Odnos koji postoji između ova dva parametra je:
Ovaj odnos ovisi o impedansi izvora koji stvara šum i impedansi opterećenja koje prima šum. Ove vrijednosti su obično kompleksni brojevi, čiji raspon može biti beskonačan, i nisu lako dostupni dizajneru. Odabir vrijednosti od 1 ohm za impedanse opterećenja i izvora, što se može dogoditi kada je izvor napajanje prekidača i opterećuje mnogo niskoimpedansnih kola, pojednostavljuje jednačine i omogućava poređenje slabljenja feritnih jezgara.
Grafikon na slici 12 je skup krivulja koje pokazuju odnos između impedanse oklopa i slabljenja za mnoge uobičajene vrijednosti opterećenja plus impedansa generatora.
Slika 13 je ekvivalentno kolo izvora smetnji sa unutrašnjim otporom od Zs. Signal interferencije generira serijska impedansa Zsc jezgre supresora i impedansa opterećenja ZL.
Slike 14 i 15 su grafikoni impedanse u odnosu na temperaturu za ista tri feritna materijala. Najstabilniji od ovih materijala je materijal 61 sa smanjenjem impedanse od 8% na 100ºC i 100 MHz. Nasuprot tome, materijal 43 je pokazao 25 % pada impedanse na istoj frekvenciji i temperaturi. Ove krive, kada su dostupne, mogu se koristiti za podešavanje specificirane impedanse sobne temperature ako je potrebno slabljenje na povišenim temperaturama.
Kao i kod temperature, istosmjerne struje i struje od 50 ili 60 Hz također utječu na iste inherentne feritne osobine, što zauzvrat rezultira nižom impedansom jezgre. Slike 16, 17 i 18 su tipične krive koje ilustruju učinak pristranosti na impedanciju feritnog materijala .Ova kriva opisuje degradaciju impedanse kao funkciju jačine polja za određeni materijal kao funkciju frekvencije. Treba napomenuti da se efekat prednapona smanjuje kako frekvencija raste.
Od kada su ovi podaci prikupljeni, Fair-Rite Products je uveo dva nova materijala. Naš 44 je materijal srednje propusnosti nikl-cink, a naš 31 je materijal visoke propusnosti mangan-cink.
Slika 19 je dijagram impedanse u odnosu na frekvenciju za perle iste veličine u materijalima 31, 73, 44 i 43. Materijal 44 je poboljšani materijal 43 sa većom DC otpornošću, 109 ohm cm, boljim svojstvima termičkog udara, temperaturnom stabilnošću i viša Curie temperatura (Tc). Materijal 44 ima nešto veću impedanciju u odnosu na frekvencijske karakteristike u poređenju sa našim materijalom 43. Stacionarni materijal 31 pokazuje veću impedanciju od 43 ili 44 u cijelom rasponu frekvencija mjerenja. 31 je dizajniran da ublaži problem dimenzionalne rezonancije koji utječe na performanse potiskivanja niske frekvencije većih jezgri od mangana i cinka i uspješno je primijenjen na jezgre za suzbijanje kabelskih konektora i velike toroidalne jezgre. -Rite jezgra sa 0,562″ OD, 0,250 ID, i 1,125 HT. Kada se porede slike 19 i 20, treba napomenuti da je za manja jezgra, za frekvencije do 25 MHz, 73 materijal najbolji supresorski materijal. Međutim, kako se poprečni presjek jezgre povećava, maksimalna frekvencija se smanjuje. Kao što je prikazano u podacima na slici 20, 73 je najbolje. Najviša frekvencija je 8 MHz. Također je vrijedno napomenuti da se 31 materijal dobro ponaša u frekvencijskom opsegu od 8 MHz do 300 MHz. Međutim, kao mangan cink ferit, 31 materijal ima mnogo nižu zapreminsku otpornost od 102 ohma -cm, i više se mijenja impedansa s ekstremnim promjenama temperature.
Rečnik Induktivnost vazdušnog jezgra – Lo (H) Induktivnost koja bi se izmerila da jezgro ima ujednačenu permeabilnost i da raspodela fluksa ostane konstantna. Opšta formula Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Prsten Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Dimenzije su u mm
Prigušenje – A (dB) Smanjenje amplitude signala u prijenosu od jedne do druge tačke. To je skalarni omjer ulazne amplitude i izlazne amplitude, u decibelima.
Konstanta jezgra – C1 (cm-1) Zbir dužina magnetnih putanja svake sekcije magnetnog kola podeljen sa odgovarajućim magnetnim regionom istog preseka.
Konstanta jezgra – C2 (cm-3) Zbir dužina magnetnog kola svake sekcije magnetnog kola podeljen kvadratom odgovarajućeg magnetnog domena istog preseka.
Efektivne dimenzije površine magnetne putanje Ae (cm2), dužine puta le (cm) i zapremine Ve (cm3) Za datu geometriju jezgra, pretpostavlja se da su dužina magnetne putanje, površina poprečnog preseka i zapremina toroidno jezgro ima ista svojstva materijala kao i materijal treba da ima magnetna svojstva ekvivalentna datom jezgru.
Jačina polja – H (Oersted) Parametar koji karakterizira veličinu jačine polja. H = .4 π NI/le (Oersted)
Gustina fluksa – B (Gausov) Odgovarajući parametar indukovanog magnetnog polja u području normalnom na putanju fluksa.
Impedansa – Z (ohm) Impedansa ferita može se izraziti u smislu njegove kompleksne permeabilnosti. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (om)
Tangent gubitka – tan δ Tangens gubitka ferita jednak je recipročnoj vrijednosti kola Q.
Faktor gubitka – tan δ/μi Fazno uklanjanje između osnovnih komponenti gustine magnetnog fluksa i jačine polja sa početnom permeabilnosti.
Magnetna permeabilnost – μ Magnetna permeabilnost izvedena iz omjera gustine magnetskog fluksa i primijenjene jačine naizmjeničnog polja je…
Amplitudna permeabilnost, μa – kada je navedena vrijednost gustine protoka veća od vrijednosti koja se koristi za početnu permeabilnost.
Efektivna permeabilnost, μe – Kada je magnetna ruta konstruisana sa jednim ili više vazdušnih praznina, permeabilnost je permeabilnost hipotetičkog homogenog materijala koji bi obezbedio istu reluktantnost.
In Compliance je glavni izvor vijesti, informacija, obrazovanja i inspiracije za profesionalce u elektrotehnici i elektronici.
Vazduhoplovstvo Automobilske komunikacije Potrošačka elektronika Obrazovanje Energetika i energetska industrija Informaciona tehnologija Medicina Vojska i odbrana