uutiset

Ihanteellisessa maailmassamme turvallisuus, laatu ja suorituskyky ovat ensiarvoisen tärkeitä. Monissa tapauksissa lopullisen komponentin, mukaan lukien ferriitin, hinnasta on kuitenkin tullut määräävä tekijä. Tämän artikkelin tarkoituksena on auttaa suunnittelijoita löytämään vaihtoehtoisia ferriittimateriaaleja, jotka vähentävät kustannus.
Halutut materiaalin sisäiset ominaisuudet ja sydämen geometria määräytyvät kunkin sovelluksen mukaan. Alhaisen signaalitason sovellusten suorituskykyä sääteleviä ominaisuuksia ovat läpäisevyys (erityisesti lämpötila), pienet ydinhäviöt ja hyvä magneettinen stabiilisuus ajan ja lämpötilan suhteen. induktorit, yhteismuotoiset induktorit, laajakaista-, sovitetut ja pulssimuuntajat, radioantennielementit sekä aktiiviset ja passiiviset toistimet.Tehosovelluksissa korkea vuontiheys ja pienet häviöt toimintataajuudella ja lämpötilalla ovat toivottavia ominaisuuksia.Sovelluksiin kuuluvat hakkuriteholähteet sähköajoneuvojen akkujen lataus, magneettivahvistimet, DC-DC-muuntimet, tehosuodattimet, sytytyspuolat ja muuntajat.
Sisäinen ominaisuus, jolla on suurin vaikutus pehmeän ferriitin suorituskykyyn vaimennussovelluksissa, on kompleksinen läpäisevyys [1], joka on verrannollinen ytimen impedanssiin. Ferriittiä voidaan käyttää ei-toivottujen signaalien (johtuvien tai säteilevien) vaimentajana kolmella tavalla. Ensimmäinen ja vähiten yleinen on käytännöllinen suoja, jossa ferriittejä käytetään johtimien, komponenttien tai piirien eristämiseen säteilevän sähkömagneettisen hajakentän ympäristöstä. Toisessa sovelluksessa ferriittejä käytetään kapasitiivisten elementtien kanssa alipäästön luomiseksi. suodatin eli induktanssi – kapasitiivinen matalilla taajuuksilla ja dissipaatio korkeilla taajuuksilla. Kolmas ja yleisin käyttötapa on, kun ferriittiytimiä käytetään yksinään komponenttijohtoihin tai korttitason piireihin. Tässä sovelluksessa ferriittisydän estää loisvärähtelyt ja/ tai vaimentaa ei-toivottua signaalin poiminta tai siirtoa, joka voi levitä komponenttijohtoja tai -liitäntöjä, jälkiä tai kaapeleita pitkin. Toisessa ja kolmannessa sovelluksessa ferriittiytimet vaimentavat johdetun EMI:n eliminoimalla tai vähentämällä suuresti EMI-lähteiden ottamia suurtaajuisia virtoja. Ferriitin käyttöönotto tarjoaa riittävän korkea taajuusimpedanssi vaimentaa suurtaajuisia virtoja. Teoriassa ihanteellinen ferriitti tarjoaisi korkean impedanssin EMI-taajuuksilla ja nollaimpedanssin kaikilla muilla taajuuksilla. Itse asiassa ferriittisuppressoriytimet tarjoavat taajuudesta riippuvan impedanssin. Alle 1 MHz:n taajuuksilla Suurin impedanssi voidaan saavuttaa välillä 10 MHz - 500 MHz riippuen ferriittimateriaalista.
Koska se on yhdenmukainen sähkötekniikan periaatteiden kanssa, joissa vaihtovirtaa ja -virtaa edustavat monimutkaiset parametrit, materiaalin läpäisevyys voidaan ilmaista monimutkaisena parametrina, joka koostuu todellisista ja kuvitteellisista osista. Tämä osoitetaan korkeilla taajuuksilla, joissa permeabiliteetti jakautuu kahteen osaan. Reaaliosa (μ') edustaa reaktiivista osaa, joka on vaiheessa vaihtuvan magneettikentän kanssa [2], kun taas kuvitteellinen osa (μ) edustaa häviöitä, jotka ovat epävaiheessa magneettikentän kanssa. vaihtuva magneettikenttä.Ne voidaan ilmaista sarjakomponentteina (μs'μs") tai rinnakkaiskomponenttina (µp'µp").Kuvioiden 1, 2 ja 3 käyrät esittävät kompleksisen alkupermeabiliteetin sarjakomponentit taajuuden funktiona kolmelle ferriittimateriaalille.Materiaalityyppi 73 on mangaani-sinkkiferriitti, alkumagneettinen Johtavuus on 2500. Materiaalityyppi 43 on nikkelisinkkiferriitti, jonka alkuläpäisevyys on 850. Materiaalityyppi 61 on nikkelisinkkiferriitti, jonka alkuläpäisevyys on 125.
Keskitymällä tyypin 61 materiaalin sarjakomponenttiin kuvassa 3, näemme, että permeabiliteetin todellinen osa, μs', pysyy vakiona taajuuden kasvaessa, kunnes kriittinen taajuus saavutetaan, ja laskee sitten nopeasti. Häviö tai μs” nousee ja sitten huippunsa μs:n putouksina.Tämä μs:n lasku johtuu ferrimagneettisen resonanssin alkamisesta.[3] On huomattava, että mitä suurempi läpäisevyys, sitä enemmän Mitä pienempi taajuus.Tämän käänteisen suhteen havaitsi ensin Snoek ja antoi seuraavan kaavan:
jossa: ƒres = μs” taajuus maksimissaan γ = gyromagneettinen suhde = 0,22 x 106 A-1 m μi = alkuperäinen läpäisevyys Msat = 250-350 Am-1
Koska matalan signaalitason ja tehon sovelluksissa käytetyt ferriittiytimet keskittyvät tämän taajuuden alapuolella oleviin magneettisiin parametreihin, ferriittivalmistajat julkaisevat harvoin läpäisevyyttä ja/tai häviötietoja korkeammilla taajuuksilla. Korkeamman taajuuden tiedot ovat kuitenkin välttämättömiä määritettäessä ferriittiytimiä EMI-vaimennusta varten.
Ominaisuus, jonka useimmat ferriittivalmistajat määrittävät EMI-vaimennuskomponenteille, on impedanssi. Impedanssi on helppo mitata kaupallisesti saatavalla analysaattorilla, jossa on suora digitaalinen lukema. Valitettavasti impedanssi määritetään yleensä tietyllä taajuudella ja se on kompleksin suuruutta edustava skalaari impedanssivektori.Vaikka tämä tieto on arvokasta, se on usein riittämätöntä, varsinkin ferriittien piirin suorituskykyä mallinnettaessa.Tämän saavuttamiseksi komponentin impedanssiarvon ja vaihekulman tai tietyn materiaalin kompleksisen läpäisevyyden on oltava saatavilla.
Mutta jo ennen kuin aloitetaan mallintamaan ferriittikomponenttien suorituskykyä piirissä, suunnittelijoiden tulisi tietää seuraava:
missä μ' = kompleksisen läpäisevyyden reaaliosa μ" = kompleksisen läpäisevyyden imaginaariosa j = yksikön Lo = ilmaytimen induktanssin kuvitteellinen vektori
Rautasydämen impedanssia pidetään myös induktiivisen reaktanssin (XL) ja häviöresistanssin (Rs) sarjayhdistelmänä, jotka molemmat ovat taajuusriippuvaisia. Häviöttömällä sydämellä on reaktanssin antama impedanssi:
jossa: Rs = sarjan kokonaisresistanssi = Rm + Re Rm = vastaava sarjavastus magneettihäviöiden takia Re = vastaava sarjavastus kuparihäviöille
Matalilla taajuuksilla komponentin impedanssi on ensisijaisesti induktiivinen. Taajuuden kasvaessa induktanssi pienenee samalla kun häviöt kasvavat ja kokonaisimpedanssi kasvaa. Kuva 4 on tyypillinen käyrä XL:stä, Rs:stä ja Z:sta verrattuna taajuuteen keskiläpäiseville materiaaleillemme .
Tällöin induktiivinen reaktanssi on verrannollinen kompleksin permeabiliteetin todelliseen osaan ilmasydäninduktanssilla Lo:lla:
Häviön vastus on myös verrannollinen kompleksin läpäisevyyden kuvitteelliseen osaan samalla vakiolla:
Yhtälössä 9 ydinmateriaali on annettu arvoilla µs' ja µs”, ja ytimen geometria on annettu Lo:lla. Siksi eri ferriittien kompleksisen läpäisevyyden tuntemisen jälkeen voidaan tehdä vertailua sopivimman materiaalin saamiseksi halutulla tavalla. taajuus tai taajuusalue.Parhaan materiaalin valinnan jälkeen on aika valita parhaan kokoiset komponentit. Kompleksisen permeabiliteetin ja impedanssin vektoriesitys on esitetty kuvassa 5.
Sydänmuotojen ja ydinmateriaalien vertailu impedanssin optimointia varten on yksinkertaista, jos valmistaja esittää kaavion vaimennussovelluksiin suositeltujen ferriittimateriaalien monimutkaisesta läpäisevyydestä suhteessa taajuuteen. Valitettavasti nämä tiedot ovat harvoin saatavilla. Useimmat valmistajat kuitenkin tarjoavat alkuperäisen läpäisevyyden ja häviön taajuuden funktiona. Näistä tiedoista voidaan johtaa ydinimpedanssin optimointiin käytettyjen materiaalien vertailu.
Viitaten kuvaan 6, Fair-Rite 73 -materiaalin alkuperäinen läpäisevyys ja hajoamiskerroin [4] taajuuden funktiona olettaen, että suunnittelija haluaa taata maksimiimpedanssin välillä 100 - 900 kHz.73 materiaalit valittiin. Mallinnusta varten suunnittelija myös täytyy ymmärtää impedanssivektorin reaktiiviset ja resistiiviset osat taajuuksilla 100 kHz (105 Hz) ja 900 kHz. Nämä tiedot voidaan johtaa seuraavasta kaaviosta:
100 kHz:llä μs ' = μi = 2500 ja (Tan δ / μi) = 7 x 10-6, koska Tan δ = μs ”/ μs' sitten μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43.
On huomattava, että odotetusti μ” lisää hyvin vähän kokonaispermeabiliteettivektoriin tällä alhaisella taajuudella.Ytimen impedanssi on enimmäkseen induktiivinen.
Suunnittelijat tietävät, että ytimen täytyy hyväksyä #22 lanka ja mahtua 10 mm x 5 mm:n tilaan.Sisähalkaisijaksi määritetään 0,8 mm. Arvioidun impedanssin ja sen komponenttien ratkaisemiseksi valitse ensin helmi, jonka ulkohalkaisija on 10 mm ja korkeus 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 ohmia 100 kHz:llä
Tässä tapauksessa, kuten useimmissa tapauksissa, maksimiimpedanssi saavutetaan käyttämällä pienempää ulkohalkaisijaa, jolla on pidempi pituus. Jos sisähalkaisija on suurempi, esim. 4 mm, ja päinvastoin.
Samaa lähestymistapaa voidaan käyttää, jos esitetään käyrät impedanssista Lo-yksikköä ja vaihekulmaa vastaan ​​taajuuden funktiona. Kuvat 9, 10 ja 11 esittävät tällaisia ​​käyriä samoille kolmelle tässä käytetylle materiaalille.
Suunnittelijat haluavat taata maksimaalisen impedanssin taajuusalueella 25 MHz - 100 MHz. Käytettävissä oleva levytila ​​on jälleen 10 mm x 5 mm ja ytimen on hyväksyttävä #22 awg lanka. Viitaten kuvaan 7 kolmen ferriittimateriaalin yksikköimpedanssista Lo, tai Kuva 8 saman kolmen materiaalin kompleksiselle läpäisevyydelle, valitse 850 μi materiaali.[5]Käyttämällä kuvan 9 kaaviota keskiläpäisevän materiaalin Z/Lo on 350 x 108 ohm/H taajuudella 25 MHz. Ratkaise arvioitu impedanssi:
Edellisessä keskustelussa oletetaan, että valittu sydän on lieriömäinen. Jos ferriittisydämiä käytetään litteissä nauhakaapeleissa, niputettuissa kaapeleissa tai rei'itetyissä levyissä, Lo:n laskeminen vaikeutuu ja joudutaan saamaan melko tarkat sydämen reitin pituus ja tehollinen pinta-ala. ilmasydämen induktanssin laskemiseksi. Tämä voidaan tehdä viipaloimalla ydin matemaattisesti ja lisäämällä laskettu polun pituus ja magneettinen pinta-ala kullekin viipaleelle. Kaikissa tapauksissa impedanssin kasvu tai lasku on kuitenkin verrannollinen ferriittiytimen korkeus/pituus.[6]
Kuten mainittiin, useimmat valmistajat määrittävät ytimet EMI-sovelluksiin impedanssin perusteella, mutta loppukäyttäjän on yleensä tiedettävä vaimennus. Näiden kahden parametrin välinen suhde on:
Tämä suhde riippuu kohinan tuottavan lähteen impedanssista ja kohinan vastaanottavan kuorman impedanssista. Nämä arvot ovat yleensä kompleksilukuja, joiden alue voi olla ääretön, eivätkä ne ole helposti suunnittelijan käytettävissä. 1 ohm kuorman ja lähteen impedansseille, joita voi esiintyä, kun lähde on hakkuriteholähde ja kuormittaa monia matalaimpedanssisia piirejä, yksinkertaistaa yhtälöitä ja mahdollistaa ferriittiytimien vaimennusten vertailun.
Kuvassa 12 oleva käyrä on joukko käyriä, jotka osoittavat suojuksen impedanssin ja vaimennuksen välisen suhteen monille yleisille kuormituksen ja generaattorin impedanssin arvoille.
Kuva 13 on vastaava piiri häiriölähteestä, jonka sisäinen resistanssi on Zs.Häiriösignaalin muodostavat vaimenninytimen sarjaimpedanssi Zsc ja kuormitusimpedanssi ZL.
Kuvat 14 ja 15 ovat kaavioita samojen kolmen ferriittimateriaalin impedanssista lämpötilan funktiona. Vakain näistä materiaaleista on 61-materiaali, jonka impedanssi pieneni 8 % 100 ºC:ssa ja 100 MHz:ssä. Sitä vastoin 43-materiaalissa oli 25 % impedanssin pudotus samalla taajuudella ja lämpötilalla. Näitä käyriä voidaan käyttää määritetyn huonelämpötilan impedanssin säätämiseen, jos vaimennusta korkeissa lämpötiloissa tarvitaan.
Kuten lämpötilassa, myös DC ja 50 tai 60 Hz syöttövirrat vaikuttavat samoihin ferriittiominaisuuksiin, mikä puolestaan ​​johtaa alhaisempaan sydämen impedanssiin. Kuvat 16, 17 ja 18 ovat tyypillisiä käyriä, jotka kuvaavat biasin vaikutusta ferriittimateriaalin impedanssiin. Tämä käyrä kuvaa impedanssin heikkenemistä tietyn materiaalin kentänvoimakkuuden funktiona taajuuden funktiona. On huomattava, että biasin vaikutus vähenee taajuuden kasvaessa.
Näiden tietojen keräämisen jälkeen Fair-Rite Products on tuonut markkinoille kaksi uutta materiaalia. Meidän 44 on nikkeli-sinkki keskiläpäisevä materiaali ja meidän 31 on mangaani-sinkki erittäin läpäisevä materiaali.
Kuva 19 on käyrä impedanssin ja taajuuden funktiona samankokoisille helmille materiaaleissa 31, 73, 44 ja 43. 44-materiaali on paranneltu 43-materiaali, jolla on korkeampi DC-vastus, 109 ohm cm, paremmat lämpöshokkiominaisuudet, lämpötilastabiilisuus ja korkeampi Curie-lämpötila (Tc). 44-materiaalilla on hieman korkeampi impedanssi verrattuna taajuusominaisuuksiin verrattuna materiaaliimme 43. Kiinteällä materiaalilla 31 on korkeampi impedanssi kuin joko 43 tai 44 koko mittaustaajuusalueella. 31 on suunniteltu lieventämään mittaresonanssiongelma, joka vaikuttaa suurempien mangaani-sinkkiytimien matalataajuiseen vaimennuskykyyn ja jota on menestyksekkäästi sovellettu kaapeliliittimien vaimennusytimissä ja suurissa toroidisydämissä. Kuva 20 on käyrä impedanssista taajuuden funktiona Fairin 43, 31 ja 73 materiaalille -Rite-ytimet 0,562″ OD, 0,250 ID ja 1,125 HT.Kuvia 19 ja 20 verrattaessa on huomioitava, että Pienemmille ytimille, taajuuksille 25 MHz asti, 73-materiaali on paras vaimennusmateriaali.Kuitenkin, kun sydämen poikkileikkaus kasvaa, maksimitaajuus pienenee.Kuten kuvan 20 tiedoista näkyy, 73 on paras. Korkein taajuus on 8 MHz.On myös syytä huomata, että 31-materiaali toimii hyvin taajuusalueella 8 MHz - 300 MHz.Kuitenkin mangaanisinkkiferriittinä 31-materiaalilla on paljon pienempi tilavuusvastus, 102 ohmia -cm, ja enemmän impedanssimuutoksia äärimmäisten lämpötilan muutosten myötä.
Sanasto Ilmasydämen induktanssi – Lo (H) Induktanssi, joka mitattaisiin, jos sydämen läpäisevyys olisi tasainen ja vuojakauma pysyisi vakiona. Yleinen kaava Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Rengas Lo = .0461 N2 log10 (OD) /ID) Ht 10-8 (H) Mitat ovat mm
Vaimennus – A (dB) Signaalin amplitudin pieneneminen lähetettäessä pisteestä toiseen. Se on tuloamplitudin ja lähtöamplitudin skalaarisuhde desibeleinä.
Ydinvakio – C1 (cm-1) Magneettipiirin kunkin osan magneettisen polun pituuksien summa jaettuna saman osan vastaavalla magneettialueella.
Ydinvakio – C2 (cm-3) Magneettipiirin kunkin osan magneettipiirin pituuksien summa jaettuna saman osan vastaavan magneettialueen neliöllä.
Magneettisen reitin alueen teholliset mitat Ae (cm2), polun pituus le (cm) ja tilavuus Ve (cm3) Tietylle sydämen geometrialle oletetaan, että magneettiradan pituus, poikkileikkausala ja tilavuus toroidisella ytimellä on samat materiaaliominaisuudet kuin Materiaalilla tulisi olla annettua sydäntä vastaavat magneettiset ominaisuudet.
Field Strength – H (Oersted) Kentänvoimakkuuden suuruutta kuvaava parametri.H = .4 π NI/le (Oersted)
Vuon tiheys – B (Gaussian) Vastaava indusoidun magneettikentän parametri vuon reitin suhteen normaalialueella.
Impedanssi – Z (ohm) Ferriitin impedanssi voidaan ilmaista sen kompleksisella permeabiliteetilla. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs) (ohm)
Häviötangentti – tan δ Ferriitin häviötangentti on yhtä suuri kuin piirin Q käänteisluku.
Häviötekijä – tan δ/μi Vaiheenpoisto magneettivuon tiheyden ja kentänvoimakkuuden peruskomponenttien välillä alkuläpäisevyydellä.
Magneettinen permeabiliteetti – μ Magneettivuon tiheyden ja käytetyn vaihtuvan kentän voimakkuuden suhteesta johdettu magneettinen permeabiliteetti on…
Amplitudiläpäisevyys, μa – kun määritetty vuontiheyden arvo on suurempi kuin alkuperäiseen läpäisevyyteen käytetty arvo.
Tehokas läpäisevyys, μe – Kun magneettireitillä on yksi tai useampi ilmarako, permeabiliteetti on hypoteettisen homogeenisen materiaalin läpäisevyys, joka antaisi saman reluktanssin.
In Compliance on sähkö- ja elektroniikkatekniikan ammattilaisten tärkein uutisten, tietojen, koulutuksen ja inspiraation lähde.
Aerospace Automotive Viestintä Kulutuselektroniikka Koulutus Energia ja sähköteollisuus Tietotekniikka Lääketieteellinen armeija ja puolustus