hírek

Ideális világunkban a biztonság, a minőség és a teljesítmény a legfontosabb. Sok esetben azonban a végső alkatrész, köztük a ferrit költsége a meghatározó tényező. Ennek a cikknek az a célja, hogy segítsen a tervezőmérnököknek alternatív ferrit anyagok megtalálásában költség.
A kívánt belső anyagtulajdonságokat és a maggeometriát az egyes alkalmazások határozzák meg. Az alacsony jelszintű alkalmazások teljesítményét meghatározó jellemzők a permeabilitás (különösen a hőmérséklet), az alacsony magveszteségek, valamint a jó mágneses stabilitás időben és hőmérsékleten. Az alkalmazások közé tartozik a magas Q-érték induktorok, közös módusú induktorok, szélessávú, illesztett és impulzustranszformátorok, rádióantennaelemek, valamint aktív és passzív átjátszók. Erőteljesítményű alkalmazásoknál a nagy fluxussűrűség és az alacsony üzemi frekvencia és hőmérsékleti veszteségek kívánatos jellemzők. Az alkalmazások közé tartoznak a kapcsolóüzemű tápegységek elektromos járművek akkumulátorának töltése, mágneses erősítők, DC-DC átalakítók, teljesítményszűrők, gyújtótekercsek és transzformátorok.
Az a belső tulajdonság, amely a legnagyobb hatással van a lágy ferrit teljesítményére az elnyomási alkalmazásokban, a komplex permeabilitás [1], amely arányos a mag impedanciájával. Három módja van a ferritnek a nem kívánt (vezetett vagy sugárzott) jelek elnyomására. ).Az első és a legkevésbé elterjedt gyakorlati pajzs, ahol ferriteket használnak a vezetők, alkatrészek vagy áramkörök elszigetelésére a sugárzó elektromágneses térkörnyezettől. A második alkalmazásnál a ferriteket kapacitív elemekkel együtt aluláteresztő kialakítására használják. szűrő, azaz induktivitás – alacsony frekvencián kapacitív, magas frekvenciákon pedig disszipáció. A harmadik és legelterjedtebb felhasználási mód az, amikor a ferritmagokat önmagában használják alkatrészvezetékekhez vagy kártyaszintű áramkörökhöz. Ebben az alkalmazásban a ferritmag megakadályozza a parazita oszcillációkat és/ vagy csillapítja a nemkívánatos jelfelvételt vagy jelátvitelt, amely az alkatrészek vezetékein vagy összeköttetésein, nyomvonalain vagy kábelein továbbterjedhet.A második és harmadik alkalmazásban a ferritmagok elnyomják az EMI-t az EMI-források által felvett nagyfrekvenciás áramok kiküszöbölésével vagy nagymértékben csökkentésével. A ferrit bevezetése elég nagy frekvenciájú impedancia a nagyfrekvenciás áramok elnyomásához.Elméletileg egy ideális ferrit nagy impedanciát biztosítana az EMI-frekvenciákon, és nulla impedanciát minden más frekvencián.Valójában a ferrit-elnyomó magok frekvenciafüggő impedanciát biztosítanak.1 MHz alatti frekvenciákon a a maximális impedancia 10 MHz és 500 MHz között érhető el a ferrit anyagtól függően.
Mivel ez összhangban van az elektrotechnika alapelveivel, ahol a váltakozó feszültséget és az áramerősséget összetett paraméterek képviselik, az anyag permeabilitása egy valós és képzeletbeli részekből álló összetett paraméterként fejezhető ki. Ezt nagy frekvenciákon mutatják be, ahol a A permeabilitás két komponensre oszlik. A valós rész (μ') a reaktív részt jelöli, amely fázisban van a váltakozó mágneses térrel [2], míg a képzeletbeli rész (μ) a veszteségeket, amelyek fázison kívül vannak a mágneses térrel. váltakozó mágneses tér.Ezeket soros komponensként (μs'μs) vagy párhuzamos komponensként (µp'µp) fejezhetjük ki.Az 1., 2. és 3. ábrán látható grafikonok három ferrit anyag esetén a komplex kezdeti permeabilitás soros összetevőit mutatják a frekvencia függvényében.A 73-as anyagtípus mangán-cink-ferrit, a kezdeti mágneses A vezetőképesség 2500. A 43-as anyagtípus egy nikkel-cink-ferrit, amelynek kezdeti permeabilitása 850. A 61-es anyagtípus egy nikkel-cink-ferrit, amelynek kezdeti permeabilitása 125.
A 3. ábrán a 61-es típusú anyag soros komponensére fókuszálva azt látjuk, hogy a permeabilitás valós része, μs', a frekvencia növekedésével állandó marad a kritikus frekvencia eléréséig, majd gyorsan csökken. A veszteség vagy μs” nő. majd μs esésként tetőzik.Ez a μs' csökkenés a ferrimágneses rezonancia kialakulásának köszönhető.[3] Meg kell jegyezni, hogy minél nagyobb az áteresztőképesség, annál nagyobb Minél alacsonyabb a frekvencia.Ezt az inverz összefüggést először Snoek figyelte meg, és a következő képletet adta:
ahol: ƒres = μs” frekvencia maximális γ = giromágneses arány = 0,22 x 106 A-1 m μi = kezdeti permeabilitás Msat = 250-350 Am-1
Mivel az alacsony jelszintű és teljesítményű alkalmazásokban használt ferritmagok e frekvencia alatti mágneses paraméterekre összpontosítanak, a ferritgyártók ritkán tesznek közzé permeabilitási és/vagy veszteségadatokat magasabb frekvenciákon. A magasabb frekvenciájú adatok azonban elengedhetetlenek a ferritmagok EMI-elnyomásra történő meghatározásakor.
Az impedancia, amelyet a legtöbb ferritgyártó az EMI-elnyomásra használt alkatrészekre ad meg. Az impedancia könnyen mérhető egy kereskedelemben kapható, közvetlen digitális kiolvasással rendelkező analizátorral. Sajnos az impedanciát általában meghatározott frekvencián adják meg, és a komplex nagyságát reprezentáló skalár. impedanciavektor.Ez az információ ugyan értékes, de gyakran nem elegendő, különösen a ferritek áramköri teljesítményének modellezésekor.Ehhez az alkatrész impedancia értékének és fázisszögének, vagy az adott anyag komplex permeabilitásának rendelkezésre kell állnia.
De még azelőtt, hogy elkezdenék modellezni a ferrit alkatrészek teljesítményét egy áramkörben, a tervezőknek tudniuk kell a következőket:
ahol μ' = a komplex permeabilitás valós része μ” = a komplex permeabilitás képzeletbeli része j = az egység képzeletbeli vektora Lo = levegő mag induktivitása
A vasmag impedanciája az induktív reaktancia (XL) és a veszteségellenállás (Rs) soros kombinációjának is tekinthető, mindkettő frekvenciafüggő. A veszteségmentes mag impedanciája a reaktancia által megadott:
ahol: Rs = teljes soros ellenállás = Rm + Re Rm = ekvivalens soros ellenállás a mágneses veszteségek miatt Re = egyenértékű soros ellenállás a réz veszteségekhez
Alacsony frekvenciákon az alkatrész impedanciája elsősorban induktív. A frekvencia növekedésével az induktivitás csökken, miközben a veszteségek nőnek, és a teljes impedancia nő. A 4. ábra az XL, Rs és Z tipikus diagramja a frekvencia függvényében közepes permeabilitású anyagainkra. .
Ekkor az induktív reaktancia arányos a komplex permeabilitás valós részével, Lo-val, a légmag induktivitásával:
A veszteségállóság is arányos a komplex permeabilitás képzeletbeli részével ugyanazzal az állandóval:
A 9. egyenletben a mag anyagát µs' és µs”, a mag geometriáját pedig Lo adja meg. Ezért a különböző ferritek komplex permeabilitásának ismeretében összehasonlítással kaphatjuk meg a legmegfelelőbb anyagot a kívánt értéknél. frekvencia vagy frekvencia tartomány.A legjobb anyag kiválasztása után itt az ideje a legjobb méretű alkatrészek kiválasztásának.A komplex permeabilitás és impedancia vektorábrázolása az 5. ábrán látható.
A mag formáinak és a maganyagainak összehasonlítása az impedancia optimalizálása érdekében egyszerű, ha a gyártó grafikont ad meg az elnyomási alkalmazásokhoz ajánlott ferrit anyagok komplex permeabilitásának és frekvenciájának grafikonját. Sajnos ez az információ ritkán áll rendelkezésre. A legtöbb gyártó azonban megadja a kezdeti permeabilitást és veszteséget a frekvencia függvényében. Ezekből az adatokból a magimpedancia optimalizálására használt anyagok összehasonlítása vezethető le.
Hivatkozva a 6. ábrára, a Fair-Rite 73 anyag kezdeti áteresztőképessége és disszipációs tényezője [4] a frekvencia függvényében, feltételezve, hogy a tervező 100 és 900 kHz közötti maximális impedanciát akar garantálni.73 anyagokat választottak. Modellezési célokra a tervező is meg kell értenie az impedanciavektor reaktív és rezisztív részét 100 kHz-en (105 Hz) és 900 kHz-en. Ez az információ a következő táblázatból származtatható:
100 kHz-en μs ' = μi = 2500 és (Tan δ / μi) = 7 x 10-6, mert Tan δ = μs ”/ μs', majd μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43.
Meg kell jegyezni, hogy amint az várható volt, a μ” ezen az alacsony frekvencián nagyon keveset ad hozzá a teljes permeabilitási vektorhoz.A mag impedanciája többnyire induktív.
A tervezők tudják, hogy a magnak 22-es számú vezetéket kell fogadnia, és egy 10 mm x 5 mm-es térbe kell illeszkednie. A belső átmérő 0,8 mm. A becsült impedancia és összetevőinek megoldásához először válasszon ki egy gyöngyöt, amelynek külső átmérője 10 mm és 5 mm magasság:
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 ohm 100 kHz-en
Ebben az esetben, mint a legtöbb esetben, a maximális impedancia kisebb, hosszabb OD használatával érhető el. Ha az ID nagyobb, pl. 4 mm, és fordítva.
Ugyanez a megközelítés használható, ha az egységnyi Lo impedancia és a fázisszög függvényében diagramot adunk meg. A 9., 10. és 11. ábrák az itt használt három anyag ilyen görbéit mutatják be.
A tervezők a maximális impedanciát szeretnék garantálni a 25 MHz-től 100 MHz-ig terjedő frekvenciatartományban. A rendelkezésre álló kártyaterület ismét 10 mm x 5 mm, és a magnak el kell fogadnia a #22 awg vezetéket. A 7. ábrára hivatkozva a három ferritanyag Lo egységimpedanciája, vagy 8. ábra ugyanazon három anyag komplex permeabilitásához válassza ki a 850 μi anyagot.[5]A 9. ábra grafikonját használva a közepes permeabilitású anyag Z/Lo értéke 350 x 108 ohm/H 25 MHz-en. Oldja meg a becsült impedanciát:
Az előző tárgyalás feltételezi, hogy a választott mag hengeres. Ha ferritmagot használnak lapos szalagkábelekhez, kötegelt kábelekhez vagy perforált lemezekhez, akkor a Lo kiszámítása nehezebbé válik, és meglehetősen pontos magúthosszt és effektív területadatokat kell kapni. a levegőmag induktivitásának kiszámításához .Ez úgy tehető meg, hogy matematikailag felszeleteljük a magot, és minden szelethez hozzáadjuk a számított úthosszat és mágneses területet.Az impedancia növekedése vagy csökkenése azonban minden esetben arányos lesz a mag növekedésével vagy csökkenésével. a ferritmag magassága/hossza.[6]
Mint már említettük, a legtöbb gyártó az EMI-alkalmazásokhoz az impedancia szempontjából határozza meg a magokat, de a végfelhasználónak általában tudnia kell a csillapítást. A két paraméter között fennálló kapcsolat a következő:
Ez az összefüggés a zajt generáló forrás impedanciájától és a zajt fogadó terhelés impedanciájától függ. Ezek az értékek általában komplex számok, amelyek tartománya végtelen is lehet, és nem állnak könnyen a tervező rendelkezésére. 1 ohm a terhelés és a forrás impedanciáira, amelyek akkor fordulhatnak elő, ha a forrás kapcsolóüzemű tápegység, és sok alacsony impedanciájú áramkört terhel, leegyszerűsíti az egyenleteket és lehetővé teszi a ferritmagok csillapításának összehasonlítását.
A 12. ábrán látható grafikon egy görbekészlet, amely az árnyékolóperem impedanciája és a csillapítás közötti kapcsolatot mutatja a terhelés és a generátor impedancia számos közös értékénél.
A 13. ábra egy Zs belső ellenállású zavarforrás egyenértékű áramköre.Az interferenciajelet az elnyomómag Zsc soros impedanciája és a ZL terhelési impedanciája állítja elő.
A 14. és 15. ábra ugyanazon három ferrit anyag impedanciájának és hőmérsékletének grafikonja. Ezen anyagok közül a legstabilabb a 61-es anyag, amelynek impedanciája 8%-kal csökkent 100 °C-on és 100 MHz-en. Ezzel szemben a 43-as anyag 25 %-os impedancia csökkenés azonos frekvencián és hőmérsékleten.Ezek a görbék, ha rendelkezésre állnak, felhasználhatók a megadott szobahőmérséklet-impedancia beállítására, ha magasabb hőmérsékleten csillapításra van szükség.
A hőmérséklethez hasonlóan az egyenáram és az 50 vagy 60 Hz-es tápáramok is ugyanazokat a ferrit tulajdonságokat befolyásolják, amelyek viszont alacsonyabb magimpedanciát eredményeznek. A 16., 17. és 18. ábrák tipikus görbék, amelyek az előfeszítés hatását mutatják a ferrit anyag impedanciájára Ez a görbe az impedancia csökkenését írja le egy adott anyag térerősségének függvényében a frekvencia függvényében. Meg kell jegyezni, hogy az előfeszítés hatása a frekvencia növekedésével csökken.
Az adatok összeállítása óta a Fair-Rite Products két új anyagot vezetett be. A 44-es nikkel-cink közepes áteresztőképességű, a 31-es pedig egy mangán-cink nagy áteresztőképességű anyag.
A 19. ábra a 31, 73, 44 és 43 anyagok azonos méretű gyöngyök impedanciájának és frekvenciájának diagramja. A 44-es anyag egy továbbfejlesztett 43-as anyag, nagyobb DC ellenállással, 109 ohm cm-rel, jobb hősokk-tulajdonságokkal, hőmérséklet-stabilitással és magasabb Curie-hőmérséklet (Tc). A 44-es anyagnak valamivel nagyobb az impedanciája a frekvencia-karakterisztikához képest, mint a mi 43-as anyagunkban. A 31 álló anyag nagyobb impedanciát mutat, mint akár a 43, akár a 44 a teljes mérési frekvencia tartományban. A 31-et úgy tervezték, hogy enyhítse a dimenziós rezonancia probléma, amely befolyásolja a nagyobb mangán-cink magok kisfrekvenciás elnyomási teljesítményét, és sikeresen alkalmazták kábelcsatlakozó-elnyomó magokra és nagy toroid magokra. A 20. ábra a 43, 31 és 73 anyagok impedancia-frekvenciájának diagramja a Fair számára -Rite magok 0,562″ OD, 0,250 ID és 1,125 HT.A 19. ábra és a 20. ábra összehasonlításakor meg kell jegyezni, hogy Kisebb magok esetében 25 MHz-ig a 73-as anyag a legjobb elnyomó anyag.A magkeresztmetszet növekedésével azonban a maximális frekvencia csökken.A 20. ábra adatai szerint a 73 a legjobb A legmagasabb frekvencia 8 MHz.Azt is érdemes megjegyezni, hogy a 31-es anyag jól teljesít a 8 MHz-től 300 MHz-ig terjedő frekvenciatartományban.Azonban mangán-cink-ferritként a 31-es anyag térfogati ellenállása sokkal kisebb, 102 ohm -cm, és nagyobb az impedancia változása szélsőséges hőmérséklet-változások hatására.
Szójegyzék Levegő maginduktivitás – Lo (H) Az az induktivitás, amelyet akkor mérnénk, ha a mag egyenletes permeabilitása és a fluxuseloszlás állandó maradna. Általános képlet Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Gyűrű Lo = ,0461 N2 log10 (OD) /ID) Ht 10-8 (H) A méretek mm-ben értendők
Csillapítás – A (dB) A jelamplitúdó csökkenése az egyik pontból a másikba történő átvitel során. Ez a bemeneti amplitúdó és a kimeneti amplitúdó skaláris aránya, decibelben.
Magállandó – C1 (cm-1) A mágneses áramkör egyes szakaszai mágneses úthosszainak összege osztva ugyanazon szakasz megfelelő mágneses tartományával.
Magállandó – C2 (cm-3) A mágneses áramkör egyes szakaszai mágneses áramköri hosszának összege osztva ugyanazon szakasz megfelelő mágneses tartományának négyzetével.
Az Ae mágneses útfelület effektív méretei (cm2), az le úthossz (cm) és a Ve térfogat (cm3) Adott maggeometriánál feltételezzük, hogy a mágneses út hossza, keresztmetszete és térfogata a toroid magnak ugyanolyan anyagtulajdonságokkal kell rendelkeznie, mint Az anyagnak az adott maggal egyenértékű mágneses tulajdonságokkal kell rendelkeznie.
Field Strength – H (Oersted) A térerősség nagyságát jellemző paraméter.H = .4 π NI/le (Oersted)
Fluxussűrűség – B (Gauss) Az indukált mágneses tér megfelelő paramétere a fluxusútra merőleges tartományban.
Impedancia – Z (ohm) Egy ferrit impedanciája a komplex permeabilitásával fejezhető ki.Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Loss Tangens – tan δ A ferrit veszteségi tangense egyenlő a Q áramkör reciproka értékével.
Loss Factor – tan δ/μi Fáziseltávolítás a mágneses fluxussűrűség és a térerősség alapvető összetevői között kezdeti permeabilitással.
Mágneses permeabilitás – μ A mágneses fluxussűrűség és az alkalmazott váltakozó térerősség arányából származó mágneses permeabilitás…
Amplitúdó permeabilitás, μa – ha a fluxussűrűség megadott értéke nagyobb, mint a kezdeti permeabilitáshoz használt érték.
Effektív permeabilitás, μe – Ha a mágneses útvonalat egy vagy több légréssel építik meg, a permeabilitás egy feltételezett homogén anyag permeabilitása, amely ugyanazt a reluktanciát biztosítaná.
Az In Compliance a hírek, információk, oktatás és inspiráció elsődleges forrása az elektromos és elektronikai mérnökök számára.
Légiközlekedési Autóipari Kommunikáció Szórakoztatóelektronikai Oktatás Energetikai és Energiaipari Információs Technológiai Orvosi Katonai és Védelem