vijesti

U našem idealnom svijetu sigurnost, kvaliteta i izvedba najvažniji su. Međutim, u mnogim je slučajevima cijena konačne komponente, uključujući ferit, postala odlučujući čimbenik. Ovaj je članak namijenjen inženjerima dizajna kako bi pronašli alternativne feritne materijale za smanjenje trošak.
Željena intrinzična svojstva materijala i geometrija jezgre određuju se svakom specifičnom primjenom. Inherentna svojstva koja upravljaju performansama u aplikacijama niske razine signala su propusnost (osobito temperatura), niski gubici u jezgri i dobra magnetska stabilnost tijekom vremena i temperature. Primjene uključuju visoki Q induktori, induktori zajedničkog načina rada, širokopojasni, usklađeni i impulsni transformatori, elementi radijske antene i aktivni i pasivni repetitori. Za energetske aplikacije poželjne su karakteristike visoka gustoća fluksa i niski gubici pri radnoj frekvenciji i temperaturi. Primjene uključuju prekidačke izvore napajanja za punjenje baterija električnih vozila, magnetska pojačala, DC-DC pretvarači, filtri za napajanje, zavojnice paljenja i transformatori.
Intrinzično svojstvo koje ima najveći utjecaj na performanse mekog ferita u primjenama potiskivanja je kompleksna propusnost [1], koja je proporcionalna impedanciji jezgre. Postoje tri načina za korištenje ferita kao supresora neželjenih signala (provodni ili zračeni ).Prva, i najmanje uobičajena, je kao praktična zaštita, gdje se feriti koriste za izolaciju vodiča, komponenti ili strujnih krugova od okoline zalutalog elektromagnetskog polja koje zrači. U drugoj primjeni, feriti se koriste s kapacitivnim elementima za stvaranje niskog prolaza filtar, tj. induktivitet – kapacitivni na niskim frekvencijama i disipacija na visokim frekvencijama. Treća i najčešća uporaba je kada se feritne jezgre koriste same za komponente ili sklopove na razini ploče. U ovoj primjeni feritna jezgra sprječava bilo kakve parazitske oscilacije i/ ili prigušuje neželjeno primanje ili prijenos signala koji se može širiti duž vodiča komponente ili interkonekcija, tragova ili kabela. U drugoj i trećoj primjeni, feritne jezgre potiskuju dirigirani EMI eliminirajući ili uvelike smanjujući visokofrekventne struje koje povlače izvori EMI-ja. Uvođenje ferita omogućuje dovoljno visoka frekvencijska impedancija za suzbijanje visokofrekventnih struja. U teoriji, idealni ferit bi pružao visoku impedanciju na EMI frekvencijama i nultu impedanciju na svim ostalim frekvencijama. Zapravo, feritne supresorske jezgre daju impedanciju ovisnu o frekvenciji. Na frekvencijama ispod 1 MHz, maksimalna impedancija može se postići između 10 MHz i 500 MHz, ovisno o feritnom materijalu.
Budući da je u skladu s načelima elektrotehnike, gdje su izmjenični napon i struja predstavljeni složenim parametrima, propusnost materijala može se izraziti kao složeni parametar koji se sastoji od stvarnih i imaginarnih dijelova. To se pokazuje na visokim frekvencijama, gdje propusnost se dijeli na dvije komponente. Realni dio (μ') predstavlja reaktivni dio, koji je u fazi s izmjeničnim magnetskim poljem [2], dok imaginarni dio (μ”) predstavlja gubitke, koji su izvan faze s izmjenično magnetsko polje. One se mogu izraziti kao serijske komponente (μs'μs”) ili kao paralelne komponente (µp'µp”). Grafikoni na slikama 1, 2 i 3 prikazuju komponente serije kompleksne početne propusnosti kao funkciju frekvencije za tri feritna materijala. Vrsta materijala 73 je mangan-cink ferit, početna magnetska vodljivost je 2500. Vrsta materijala 43 je nikl cink ferit s početnom propusnošću od 850. Vrsta materijala 61 je nikl cink ferit s početnom propusnošću od 125.
Usredotočujući se na serijsku komponentu materijala tipa 61 na slici 3, vidimo da stvarni dio propusnosti, μs', ostaje konstantan s povećanjem frekvencije dok se ne dosegne kritična frekvencija, a zatim se brzo smanjuje. Gubitak ili μs” raste a zatim dostiže vrhunac kako μs' pada. Ovo smanjenje μs' je zbog početka ferimagnetske rezonancije. [3] Treba napomenuti da što je veća propusnost, to je niža frekvencija. Ovaj obrnuti odnos prvi je primijetio Snoek i dao sljedeću formulu:
gdje je: ƒres = μs” frekvencija pri maksimumu γ = žiromagnetski omjer = 0,22 x 106 A-1 m μi = početna permeabilnost Msat = 250-350 Am-1
Budući da se feritne jezgre koje se koriste u aplikacijama niske razine signala i snage fokusiraju na magnetske parametre ispod ove frekvencije, proizvođači ferita rijetko objavljuju podatke o propusnosti i/ili gubicima na višim frekvencijama. Međutim, podaci o višoj frekvenciji bitni su kada se određuju feritne jezgre za suzbijanje EMI.
Karakteristika koju većina proizvođača ferita navodi za komponente koje se koriste za suzbijanje EMI-a je impedancija. Impedancija se lako mjeri na komercijalno dostupnom analizatoru s izravnim digitalnim očitavanjem. Nažalost, impedancija se obično navodi na određenoj frekvenciji i skalar predstavlja veličinu kompleksa vektor impedancije. Iako su ove informacije vrijedne, često su nedostatne, posebno kada se modelira izvedba feritnog kruga. Da bi se to postiglo, moraju biti dostupni vrijednost impedancije i fazni kut komponente ili kompleksna propusnost određenog materijala.
Ali čak i prije početka modeliranja performansi feritnih komponenti u krugu, dizajneri bi trebali znati sljedeće:
gdje je μ'= stvarni dio kompleksne propusnosti μ”= imaginarni dio kompleksne propusnosti j = imaginarni vektor jedinice Lo= induktivitet zračne jezgre
Impedancija željezne jezgre također se smatra serijskom kombinacijom induktivne reaktancije (XL) i otpora gubitka (Rs), a obje ovise o frekvenciji. Jezgra bez gubitaka imat će impedanciju zadanu reaktancijom:
gdje je: Rs = ukupni serijski otpor = Rm + Re Rm = ekvivalentni serijski otpor zbog magnetskih gubitaka Re = ekvivalentni serijski otpor za gubitke u bakru
Na niskim frekvencijama, impedancija komponente je primarno induktivna. Kako se frekvencija povećava, 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 propusnosti, prema Lo, induktivitetu zračne jezgre:
Otpornost gubitka također je proporcionalna imaginarnom dijelu kompleksne propusnosti istom konstantom:
U jednadžbi 9, materijal jezgre dan je s µs' i µs”, a geometrija jezgre dana je s Lo. Stoga, nakon poznavanja kompleksne propusnosti različitih ferita, može se napraviti usporedba kako bi se dobio najprikladniji materijal na željenom frekvencija ili frekvencijski raspon. Nakon odabira najboljeg materijala, vrijeme je da odaberete komponente najbolje veličine. Vektorski prikaz kompleksne propusnosti i impedancije prikazan je na slici 5.
Usporedba oblika jezgre i materijala jezgre za optimizaciju impedancije je jednostavna ako proizvođač pruži grafikon kompleksne propusnosti u odnosu na frekvenciju za feritne materijale preporučene za primjene supresije. Nažalost, ove informacije su rijetko dostupne. Međutim, većina proizvođača daje početnu propusnost i gubitak u odnosu na frekvenciju krivulje. Iz ovih podataka može se izvesti usporedba materijala korištenih za optimizaciju impedancije jezgre.
Pozivajući se na sliku 6, početni faktor propusnosti i disipacije [4] materijala Fair-Rite 73 u odnosu na frekvenciju, pod pretpostavkom da dizajner želi zajamčiti maksimalnu impedanciju između 100 i 900 kHz.73 odabrani su materijali. Za potrebe modeliranja, dizajner je također treba razumjeti reaktivne i otporne dijelove vektora impedancije na 100 kHz (105 Hz) i 900 kHz. Ove informacije mogu se izvesti iz sljedećeg grafikona:
Na 100 kHz μs ' = μi = 2500 i (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 jer je Tan δ = μs ”/ μs' tada μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Treba primijetiti da, kao što se i očekivalo, μ” dodaje vrlo malo ukupnom vektoru propusnosti na ovoj niskoj frekvenciji. Impedancija jezgre je uglavnom induktivna.
Dizajneri znaju da jezgra mora prihvatiti žicu #22 i stati u prostor od 10 mm x 5 mm. Unutarnji promjer bit će određen kao 0,8 mm. Da biste riješili procijenjenu impedanciju i njezine komponente, prvo odaberite kuglicu s vanjskim promjerom od 10 mm i visine 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 ohma na 100 kHz
U ovom slučaju, kao iu većini slučajeva, maksimalna impedancija se postiže korištenjem manjeg OD s većom duljinom. Ako je ID veći, npr. 4 mm, i obrnuto.
Isti se pristup može koristiti ako se daju dijagrami impedancije po jedinici Lo i faznog kuta u odnosu na frekvenciju. Slike 9, 10 i 11 predstavljaju takve krivulje za ista tri materijala koji se ovdje koriste.
Dizajneri žele zajamčiti maksimalnu impedanciju preko frekvencijskog raspona od 25 MHz do 100 MHz. Dostupni prostor na ploči je ponovno 10 mm x 5 mm, a jezgra mora prihvatiti žicu #22 awg. Pozivajući se na sliku 7 za jediničnu impedanciju Lo triju feritnih materijala, ili Slika 8 za kompleksnu propusnost 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. Odredite procijenjenu impedanciju:
Prethodna rasprava pretpostavlja da je odabrana jezgra cilindrična. Ako se feritne jezgre koriste za ravne vrpčaste kabele, kabele u snopu ili perforirane ploče, izračun Lo postaje teži i moraju se dobiti prilično točne brojke duljine staze jezgre i efektivne površine za izračunavanje induktiviteta zračne jezgre. To se može učiniti matematičkim rezanjem jezgre i dodavanjem izračunate duljine puta i magnetskog područja za svaki rez. U svim slučajevima, međutim, povećanje ili smanjenje impedancije bit će proporcionalno povećanju ili smanjenju visina/duljina feritne jezgre.[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 impedanciji izvora koji stvara šum i impedanciji opterećenja koje prima šum. Ove vrijednosti su obično složeni brojevi, čiji raspon može biti beskonačan, i nisu lako dostupni dizajneru. Odabir vrijednosti 1 ohm za opterećenje i impedancije izvora, što se može dogoditi kada je izvor prekidački način napajanja i opterećuje mnoge krugove niske impedancije, pojednostavljuje jednadžbe i omogućuje usporedbu prigušenja feritnih jezgri.
Grafikon na slici 12 je skup krivulja koje pokazuju odnos između impedancije oklopa i prigušenja za mnoge uobičajene vrijednosti opterećenja plus impedancije generatora.
Slika 13 je ekvivalentni krug izvora smetnji s unutarnjim otporom od Zs. Signal smetnje generira serijska impedancija Zsc jezgre supresora i impedancija opterećenja ZL.
Slike 14 i 15 su grafikoni impedancije u odnosu na temperaturu za ista tri feritna materijala. Najstabilniji od ovih materijala je materijal 61 sa smanjenjem impedancije od 8% na 100º C i 100 MHz. Nasuprot tome, materijal 43 pokazao je 25 % pada impedancije pri istoj frekvenciji i temperaturi. Ove krivulje, ako su dostupne, mogu se koristiti za podešavanje specificirane impedancije sobne temperature ako je potrebno prigušenje na povišenim temperaturama.
Kao i kod temperature, DC i 50 ili 60 Hz opskrbne struje također utječu na ista inherentna svojstva ferita, što zauzvrat rezultira nižom impedancijom jezgre. Slike 16, 17 i 18 su tipične krivulje koje prikazuju učinak pristranosti na impedanciju feritnog materijala .Ova krivulja opisuje degradaciju impedancije kao funkciju jakosti polja za određeni materijal kao funkciju frekvencije. Treba napomenuti da se učinak prednaprezanja smanjuje kako frekvencija raste.
Otkako su prikupljeni ovi podaci, Fair-Rite Products je predstavio dva nova materijala. Naš 44 je materijal srednje propusnosti nikal-cink, a naš 31 je materijal visoke propusnosti mangan-cink.
Slika 19 je dijagram impedancije u odnosu na frekvenciju za kuglice iste veličine u materijalima 31, 73, 44 i 43. Materijal 44 je poboljšani materijal 43 s većim istosmjernim otporom, 109 ohm cm, boljim svojstvima toplinskog šoka, temperaturnom stabilnošću i višu Curiejevu temperaturu (Tc). Materijal 44 ima nešto veću impedanciju u odnosu na frekvencijske karakteristike u usporedbi s našim materijalom 43. Stacionarni materijal 31 pokazuje veću impedanciju od 43 ili 44 u cijelom rasponu frekvencije mjerenja. 31 je dizajniran za ublažavanje problem dimenzionalne rezonancije koji utječe na performanse potiskivanja niske frekvencije većih jezgri od mangana i cinka i uspješno je primijenjen na jezgre za potiskivanje kabelskih konektora i velike toroidalne jezgre. Slika 20 je dijagram impedancije u odnosu na frekvenciju za 43, 31 i 73 materijale za Fair -Rite jezgre s 0,562″ OD, 0,250 ID i 1,125 HT. Kada se uspoređuju slika 19 i slika 20, treba napomenuti da je za manje jezgre, za frekvencije do 25 MHz, 73 materijal najbolji supresorski materijal. Međutim, kako se presjek jezgre povećava, maksimalna frekvencija se smanjuje. Kao što je prikazano u podacima na slici 20, 73 je najbolji. Najviša frekvencija je 8 MHz. Također je vrijedno napomenuti da se materijal 31 dobro ponaša u frekvencijskom rasponu od 8 MHz do 300 MHz. Međutim, kao mangan-cink-ferit, materijal 31 ima mnogo niži volumni otpor od 102 ohma -cm, a više impedancije se mijenja s ekstremnim promjenama temperature.
Rječnik Induktivitet zračne jezgre – Lo (H) Induktivitet koji bi se izmjerio da je jezgra imala jednoliku propusnost i da je distribucija toka ostala konstantna. Opća 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 s jedne točke na drugu. To je skalarni omjer ulazne amplitude prema izlaznoj amplitudi, u decibelima.
Konstanta jezgre – C1 (cm-1) Zbroj duljina magnetskog puta svake sekcije magnetskog kruga podijeljen s odgovarajućim magnetskim područjem iste sekcije.
Konstanta jezgre – C2 (cm-3) Zbroj duljina magnetskog kruga svakog dijela magnetskog kruga podijeljen s kvadratom odgovarajuće magnetske domene istog odjeljka.
Efektivne dimenzije područja magnetskog puta Ae (cm2), duljine puta le (cm) i volumena Ve (cm3) Za danu geometriju jezgre, pretpostavlja se da su duljina magnetskog puta, površina poprečnog presjeka i volumen toroidalna jezgra ima ista svojstva materijala kao Materijal bi trebao imati magnetska svojstva ekvivalentna danoj jezgri.
Jačina polja – H (Oersted) Parametar koji karakterizira veličinu jakosti polja. H = 0,4 π NI/le (Oersted)
Gustoća toka – B (Gaussov) Odgovarajući parametar induciranog magnetskog polja u području normalnom na putanju toka.
Impedancija – Z (ohm) Impedancija ferita može se izraziti u smislu njegove kompleksne propusnosti. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Tangens gubitka – ​​tan δ Tangens gubitka ferita jednak je recipročnoj vrijednosti kruga Q.
Faktor gubitka – tan δ/μi Uklanjanje faze između osnovnih komponenti gustoće magnetskog toka i jakosti polja s početnom permeabilnošću.
Magnetska propusnost – μ Magnetska propusnost izvedena iz omjera gustoće magnetskog toka i primijenjene jakosti izmjeničnog polja je…
Amplitudna propusnost, μa – kada je navedena vrijednost gustoće toka veća od vrijednosti koja se koristi za početnu propusnost.
Efektivna propusnost, μe – Kada je magnetski put konstruiran s jednim ili više zračnih raspora, propusnost je propusnost hipotetskog homogenog materijala koji bi pružio istu otpornost.
In Compliance je glavni izvor vijesti, informacija, obrazovanja i inspiracije za stručnjake u elektrotehnici i elektronici.
Zrakoplovstvo Automobili Komunikacije Potrošačka elektronika Obrazovanje Energetika i električna industrija Informacijska tehnologija Medicina Vojska i obrana