новини

У нашому ідеальному світі безпека, якість і продуктивність мають першорядне значення. Однак у багатьох випадках вартість кінцевого компонента, включаючи ферит, стала визначальним фактором. Ця стаття має на меті допомогти інженерам-конструкторам знайти альтернативні феритові матеріали для зниження вартість.
Бажані внутрішні властивості матеріалу та геометрія сердечника визначаються кожною конкретною програмою. Властивості, які визначають продуктивність у додатках із низьким рівнем сигналу, це проникність (особливо температура), низькі втрати в сердечнику та хороша магнітна стабільність у часі та температурі. Застосування включають високу Q котушки індуктивності, синфазні котушки індуктивності, широкосмугові, узгоджені та імпульсні трансформатори, радіоантенні елементи, активні та пасивні повторювачі. Для енергетичних застосувань бажаними характеристиками є висока щільність потоку та низькі втрати на робочій частоті та температурі. Застосування включають імпульсні джерела живлення для зарядка акумуляторів електромобілів, магнітні підсилювачі, перетворювачі DC-DC, фільтри живлення, котушки запалювання та трансформатори.
Внутрішньою властивістю, яка має найбільший вплив на продуктивність м’якого фериту в програмах придушення, є комплексна проникність [1], яка пропорційна повному опору сердечника. Існує три способи використання фериту як придушника небажаних сигналів (провідних або випромінюваних). ). Перший, і найменш поширений, як практичний екран, де ферити використовуються для ізоляції провідників, компонентів або ланцюгів від випромінювального розсіяного електромагнітного поля. У другому застосуванні ферити використовуються з ємнісними елементами для створення низькочастотного діапазону. фільтр, тобто індуктивність – ємнісний на низьких частотах і розсіювання на високих частотах. Третім і найпоширенішим використанням є феритові сердечники, які використовуються окремо для компонентних проводів або схем на рівні плати. У цьому застосуванні феритовий сердечник запобігає будь-яким паразитним коливанням та/ або послаблює небажане захоплення або передачу сигналу, який може поширюватися вздовж компонентних проводів або з’єднань, трас або кабелів. У другому та третьому застосуваннях феритові сердечники пригнічують кондуктивні електромагнітні перешкоди, усуваючи або значно зменшуючи високочастотні струми, що споживаються джерелами електромагнітних перешкод. Введення фериту забезпечує достатньо високий частотний опір, щоб придушити високочастотні струми. Теоретично ідеальний ферит забезпечував би високий опір на частотах електромагнітних перешкод і нульовий опір на всіх інших частотах. Фактично, феритові супресорні сердечники забезпечують частотно-залежний опір. На частотах нижче 1 МГц максимальний імпеданс може бути досягнутий від 10 МГц до 500 МГц залежно від феритового матеріалу.
Оскільки це узгоджується з принципами електротехніки, де напруга змінного струму та струм представлені комплексними параметрами, проникність матеріалу може бути виражена як комплексний параметр, що складається з дійсної та уявної частин. Це демонструється на високих частотах, де проникність розпадається на дві складові. Реальна частина (µ') представляє реактивну частину, яка знаходиться в фазі зі змінним магнітним полем [2], тоді як уявна частина (µ”) представляє втрати, які знаходяться в протифазі зі змінним магнітним полем [2]. змінне магнітне поле.Вони можуть бути виражені як послідовні компоненти (μs'μs”) або паралельні компоненти (µp'µp”).Графіки на малюнках 1, 2 і 3 показують ряд компонентів комплексної початкової проникності як функцію частоти для трьох феритових матеріалів.Тип матеріалу 73 — марганцево-цинковий ферит, початкова магнітна провідність — 2500. Матеріал типу 43 — нікель-цинковий ферит із початковою проникністю 850. Матеріал типу 61 — нікель-цинковий ферит із початковою проникністю 125.
Зосереджуючись на послідовному компоненті матеріалу типу 61 на малюнку 3, ми бачимо, що реальна частина проникності, мкс', залишається постійною зі збільшенням частоти, доки не буде досягнуто критичної частоти, а потім швидко зменшується. Втрата або мкс» зростає а потім досягає піку, коли μs ​​падає.Це зменшення мкс' пов'язане з початком феримагнітного резонансу.[3] Слід зазначити, що чим вище проникність, тим більше Нижча частота.Це обернене співвідношення вперше спостерігав Снук і дав таку формулу:
де: ƒres = μs” частота при максимумі γ = гіромагнітне відношення = 0,22 x 106 A-1 м μi = початкова проникність Msat = 250-350 Am-1
Оскільки феритові сердечники, які використовуються в додатках із низьким рівнем сигналу та потужністю, зосереджені на магнітних параметрах, нижчих за цю частоту, виробники феритових сердечників рідко публікують дані про проникність і/або втрати на вищих частотах. Однак дані з вищої частоти є важливими при визначенні феритових сердечників для придушення електромагнітних перешкод.
Характеристикою, яку більшість виробників феритів вказують для компонентів, що використовуються для придушення електромагнітних перешкод, є імпеданс. Імпеданс легко виміряти на комерційно доступному аналізаторі з прямим цифровим зчитуванням. На жаль, імпеданс зазвичай вказується на певній частоті та є скалярною величиною, що представляє величину комплексу вектор імпедансу. Хоча ця інформація є цінною, її часто недостатньо, особливо під час моделювання характеристик схеми феритів. Щоб досягти цього, мають бути доступні значення імпедансу та фазовий кут компонента або комплексна проникність конкретного матеріалу.
Але навіть перед початком моделювання продуктивності феритових компонентів у схемі розробники повинні знати наступне:
де μ'= дійсна частина комплексної проникності μ”= уявна частина комплексної проникності j = уявний вектор одиниці Lo= індуктивність повітряного сердечника
Імпеданс залізного сердечника також вважається послідовною комбінацією індуктивного опору (XL) і опору втрат (Rs), обидва з яких залежать від частоти. Сердечник без втрат матиме імпеданс, заданий реактивним опором:
де: Rs = загальний послідовний опір = Rm + Re Rm = еквівалентний послідовний опір через магнітні втрати Re = еквівалентний послідовний опір для втрат у міді
На низьких частотах імпеданс компонента є переважно індуктивним. Зі збільшенням частоти індуктивність зменшується, а втрати збільшуються, а загальний імпеданс зростає. На малюнку 4 наведено типовий графік залежності XL, Rs і Z від частоти для наших матеріалів із середньою проникністю. .
Тоді індуктивний реактивний опір пропорційний дійсній частині комплексної проникності, через Lo, індуктивність повітряного сердечника:
Опір втратам також пропорційний уявній частині комплексної проникності за тією ж константою:
У рівнянні 9 матеріал серцевини задано µs' і µs”, а геометрія серцевини задана Lo. Тому, знаючи комплексну проникність різних феритів, можна провести порівняння, щоб отримати найбільш підходящий матеріал при бажаному частоти або частотного діапазону. Після вибору найкращого матеріалу настав час вибрати компоненти найкращого розміру. Векторне представлення комплексної проникності та імпедансу показано на малюнку 5.
Порівняння форм сердечника та матеріалів сердечника для оптимізації імпедансу є простим, якщо виробник надає графік залежності комплексної проникності від частоти для феритових матеріалів, рекомендованих для програм придушення. На жаль, ця інформація рідко доступна. Однак більшість виробників надають початкову проникність і втрати від частоти На основі цих даних можна порівняти матеріали, що використовуються для оптимізації опору сердечника.
Посилаючись на малюнок 6, початкова проникність і коефіцієнт дисипації [4] матеріалу Fair-Rite 73 від частоти, припускаючи, що розробник хоче гарантувати максимальний імпеданс між 100 і 900 кГц.73 були обрані матеріали. Для цілей моделювання розробник також необхідно розуміти реактивну та резистивну частини вектора імпедансу на 100 кГц (105 Гц) і 900 кГц. Цю інформацію можна отримати з наступної діаграми:
На 100 кГц μs ' = μi = 2500 і (Tan δ / μi) = 7 x 10-6, оскільки Tan δ = μs ”/ μs', тоді μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Слід зазначити, що, як і очікувалося, μ” дуже мало додає до загального вектора проникності на цій низькій частоті.Імпеданс сердечника в основному індуктивний.
Розробники знають, що сердечник має містити дріт №22 і вміщуватись у простір розміром 10 мм x 5 мм. Внутрішній діаметр буде вказано як 0,8 мм. Щоб розрахувати розрахунковий імпеданс та його компоненти, спочатку виберіть кульку із зовнішнім діаметром 10 мм і висотою 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
У цьому випадку, як і в більшості випадків, максимальний імпеданс досягається за допомогою меншого зовнішнього діаметра з більшою довжиною. Якщо внутрішній діаметр більший, наприклад, 4 мм, і навпаки.
Такий самий підхід можна використовувати, якщо надати графіки імпедансу на одиницю Lo та фазового кута від частоти. На малюнках 9, 10 і 11 представлені такі криві для тих самих трьох матеріалів, що використовуються тут.
Розробники хочуть гарантувати максимальний імпеданс у діапазоні частот від 25 МГц до 100 МГц. Доступний простір на платі знову становить 10 мм х 5 мм, а серцевина повинна приймати дріт № 22 awg. Посилаючись на малюнок 7 для блоку імпедансу Lo трьох феритових матеріалів, або малюнок 8 для комплексної проникності тих самих трьох матеріалів, виберіть матеріал 850 μi.[5]Використовуючи графік на малюнку 9, Z/Lo матеріалу із середньою проникністю становить 350 x 108 Ом/год при 25 МГц. Розв’яжіть розрахунковий імпеданс:
Попереднє обговорення припускає, що вибраний сердечник має циліндричну форму. Якщо феритові сердечники використовуються для плоских стрічкових кабелів, кабелів у пучках або перфорованих пластин, обчислення Lo стає складнішим, і потрібно отримати досить точні значення довжини шляху сердечника та ефективної площі. щоб обчислити індуктивність повітряного сердечника. Це можна зробити, розрізавши сердечник математично та додавши розраховану довжину шляху та магнітну площу для кожного зрізу. Однак у всіх випадках збільшення або зменшення опору буде пропорційним збільшенню або зменшенню висота/довжина феритового сердечника.[6]
Як згадувалося, більшість виробників вказують серцевини для додатків EMI з точки зору імпедансу, але кінцевому користувачеві зазвичай потрібно знати затухання. Між цими двома параметрами існує такий зв’язок:
Це співвідношення залежить від опору джерела, що генерує шум, і опору навантаження, що приймає шум. Ці значення зазвичай є комплексними числами, діапазон яких може бути нескінченним, і вони не є легкодоступними для розробника. Вибір значення 1 Ом для імпедансів навантаження та джерела, що може виникати, коли джерело є імпульсним джерелом живлення та навантажує багато ланцюгів з низьким опором, спрощує рівняння та дозволяє порівняти загасання феритових сердечників.
Графік на малюнку 12 являє собою набір кривих, що показує взаємозв’язок між опором екрану та ослабленням для багатьох загальних значень навантаження плюс імпеданс генератора.
На малюнку 13 зображено еквівалентну схему джерела перешкод із внутрішнім опором Zs.Сигнал перешкод генерується послідовним опором Zsc сердечника пригнічувача та опором навантаження ZL.
На малюнках 14 і 15 наведено графіки залежності імпедансу від температури для тих самих трьох феритових матеріалів. Найстабільнішим із цих матеріалів є матеріал 61 із зниженням імпедансу на 8% при 100º C і 100 МГц. Навпаки, матеріал 43 показав 25 % падіння імпедансу при тій самій частоті та температурі. Ці криві, якщо вони надані, можна використовувати для налаштування імпедансу заданої кімнатної температури, якщо потрібне ослаблення при підвищених температурах.
Як і у випадку температури, струми живлення постійного струму та 50 або 60 Гц також впливають на ті самі властивості фериту, що, у свою чергу, призводить до нижчого опору сердечника. На малюнках 16, 17 та 18 наведено типові криві, що ілюструють вплив зсуву на імпеданс феритового матеріалу. Ця крива описує деградацію імпедансу як функцію напруженості поля для конкретного матеріалу як функцію частоти. Слід зазначити, що ефект зсуву зменшується зі збільшенням частоти.
Після збирання цих даних компанія Fair-Rite Products представила два нові матеріали. Наш 44 — це нікель-цинковий матеріал із середньою проникністю, а наш 31 — марганцево-цинковий матеріал з високою проникністю.
На малюнку 19 наведено графік залежності імпедансу від частоти для кульок однакового розміру в матеріалах 31, 73, 44 і 43. Матеріал 44 є покращеним матеріалом 43 з вищим питомим опором постійному струму, 109 Ом·см, кращими властивостями термічного удару, температурною стабільністю та вища температура Кюрі (Tc). Матеріал 44 має дещо вищі характеристики імпедансу та частоти порівняно з нашим матеріалом 43. Стаціонарний матеріал 31 демонструє вищий імпеданс, ніж 43 або 44 у всьому діапазоні частот вимірювання. 31 розроблено для зменшення Проблема розмірного резонансу, яка впливає на ефективність придушення низьких частот більших марганцево-цинкових сердечників і була успішно застосована до сердечників придушення з’єднувача кабелю та великих тороїдальних сердечників. - Сердечники Rite з зовнішнім діаметром 0,562 дюйма, внутрішнім діаметром 0,250 і 1,125 HT.Порівнюючи малюнок 19 і малюнок 20, слід зазначити, що для менших ядер, для частот до 25 МГц, матеріал 73 є найкращим матеріалом для придушення.Однак із збільшенням перерізу сердечника максимальна частота зменшується.Як показано в даних на малюнку 20, 73 є найкращим. Найвища частота – 8 МГц.Також варто відзначити, що матеріал 31 добре працює в діапазоні частот від 8 МГц до 300 МГц.Однак, оскільки марганцево-цинковий ферит, матеріал 31 має набагато нижчий питомий об’ємний опір 102 Ом -см, і більше змін імпедансу при екстремальних змінах температури.
Глосарій Індуктивність повітряного сердечника – Lo (H) Індуктивність, яку було б виміряно, якби сердечник мав рівномірну проникність, а розподіл потоку залишався постійним. Загальна формула Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Кільце Lo = 0,0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Розміри в мм
Затухання – A (дБ) Зниження амплітуди сигналу під час передачі від однієї точки до іншої. Це скалярне відношення вхідної амплітуди до вихідної амплітуди в децибелах.
Константа сердечника – C1 (см-1) Сума довжин магнітного шляху кожної ділянки магнітного кола, поділена на відповідну магнітну область тієї самої ділянки.
Константа сердечника – C2 (см-3) Сума довжин магнітного кола кожної ділянки магнітного кола, поділена на квадрат відповідного магнітного домену тієї самої ділянки.
Ефективні розміри площі магнітного шляху Ae (см2), довжини шляху le (см) та об’єму Ve (см3) Для заданої геометрії сердечника передбачається, що довжина магнітного шляху, площа поперечного перерізу та об’єм тороїдальний сердечник має такі самі властивості матеріалу, що й матеріал повинен мати магнітні властивості, еквівалентні даному сердечнику.
Напруженість поля – H (Ерстед) Параметр, що характеризує величину напруженості поля. H = 0,4 π NI/le (Ерстед)
Щільність потоку – B (Гаусс) Відповідний параметр індукованого магнітного поля в області, нормальній до шляху потоку.
Імпеданс – Z (Ом) Імпеданс фериту можна виразити через його комплексну проникність. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (Ом)
Тангенс втрат – ​​tan δ Тангенс втрат фериту дорівнює величині, зворотній ланцюга Q.
Коефіцієнт втрат – tan δ/μi Видалення фази між основними компонентами щільності магнітного потоку та напруженості поля з початковою проникністю.
Магнітна проникність – μ Магнітна проникність, отримана від співвідношення щільності магнітного потоку та прикладеної напруженості змінного поля, дорівнює…
Амплітудна проникність, μa – коли задане значення щільності потоку більше значення, яке використовується для початкової проникності.
Ефективна проникність, μe – коли магнітна траса побудована з одним або декількома повітряними проміжками, проникність – це проникність гіпотетичного однорідного матеріалу, який забезпечить таку саму стійкість.
In Compliance — головне джерело новин, інформації, освіти та натхнення для фахівців з електротехніки та електроніки.
Аерокосмічна промисловість Автомобільні засоби зв’язку Побутова електроніка Освіта Енергетика та електроенергетика Інформаційні технології Медицина Військові справи та оборона