haberler

İdeal dünyamızda güvenlik, kalite ve performans her şeyden önemlidir. Ancak çoğu durumda, ferrit de dahil olmak üzere son bileşenin maliyeti belirleyici faktör haline gelmiştir. Bu makale, tasarım mühendislerinin, ferrit malzemelerini azaltmak için alternatif ferrit malzemeleri bulmalarına yardımcı olmayı amaçlamaktadır. maliyet.
İstenilen içsel malzeme özellikleri ve çekirdek geometrisi, her bir spesifik uygulama tarafından belirlenir. Düşük sinyal seviyeli uygulamalarda performansı belirleyen doğal özellikler, geçirgenlik (özellikle sıcaklık), düşük çekirdek kayıpları ve zaman ve sıcaklık boyunca iyi manyetik stabilitedir. Uygulamalar arasında yüksek Q bulunur. indüktörler, ortak modlu indüktörler, geniş bant, uyumlu ve darbeli transformatörler, radyo anten elemanları ve aktif ve pasif tekrarlayıcılar. Güç uygulamaları için, yüksek akı yoğunluğu ve çalışma frekansı ve sıcaklığındaki düşük kayıplar arzu edilen özelliklerdir. Uygulamalar, anahtarlamalı güç kaynaklarını içerir. elektrikli araç aküsü şarjı, manyetik amplifikatörler, DC-DC dönüştürücüler, güç filtreleri, ateşleme bobinleri ve transformatörler.
Bastırma uygulamalarında yumuşak ferrit performansı üzerinde en büyük etkiye sahip olan asıl özellik, çekirdeğin empedansı ile orantılı olan karmaşık geçirgenliktir [1]. Ferriti, istenmeyen sinyalleri (iletilen veya yayılan) bastırıcı olarak kullanmanın üç yolu vardır. ).İlk ve en az yaygın olanı, ferritlerin iletkenleri, bileşenleri veya devreleri yayılan başıboş elektromanyetik alan ortamından izole etmek için kullanıldığı pratik bir kalkandır. İkinci uygulamada, ferritler alçak geçiş oluşturmak için kapasitif elemanlarla birlikte kullanılır. filtre, yani endüktans – düşük frekanslarda kapasitif ve yüksek frekanslarda dağılım. Üçüncü ve en yaygın kullanım, ferrit çekirdeklerin bileşen kabloları veya kart düzeyindeki devreler için tek başına kullanılmasıdır. Bu uygulamada, ferrit çekirdek herhangi bir parazitik salınımı önler ve/ veya bileşen uçları veya ara bağlantılar, yollar veya kablolar boyunca yayılabilen istenmeyen sinyal alımını veya iletimini zayıflatır. İkinci ve üçüncü uygulamalarda, ferrit çekirdekler, EMI kaynakları tarafından çekilen yüksek frekanslı akımları ortadan kaldırarak veya büyük ölçüde azaltarak iletilen EMI'yi bastırır. yüksek frekanslı akımları bastırmak için yeterince yüksek frekans empedansı. Teorik olarak, ideal bir ferrit, EMI frekanslarında yüksek empedans ve diğer tüm frekanslarda sıfır empedans sağlayacaktır. Gerçekte, ferrit baskılayıcı çekirdekler frekansa bağlı empedans sağlar. 1 MHz'in altındaki frekanslarda, Ferrit malzemesine bağlı olarak maksimum empedans 10 MHz ile 500 MHz arasında elde edilebilir.
AC voltaj ve akımın karmaşık parametrelerle temsil edildiği elektrik mühendisliği ilkeleriyle tutarlı olduğundan, bir malzemenin geçirgenliği, gerçek ve sanal parçalardan oluşan karmaşık bir parametre olarak ifade edilebilir. Bu, yüksek frekanslarda gösterilmiştir. geçirgenlik iki bileşene ayrılır. Gerçek kısım (μ'), alternatif manyetik alan [2] ile aynı fazda olan reaktif kısmı temsil ederken, sanal kısım (μ"), alternatif manyetik alan [2] ile faz dışı olan kayıpları temsil eder. alternatif manyetik alan. Bunlar seri bileşenler (μs'μs") veya paralel bileşenler (μp'μp") olarak ifade edilebilir. Şekil 1, 2 ve 3'teki grafikler, üç ferrit malzeme için frekansın bir fonksiyonu olarak karmaşık başlangıç ​​geçirgenliğinin seri bileşenlerini göstermektedir. Malzeme türü 73 bir manganez-çinko ferrittir, başlangıç ​​manyetik İletkenliği 2500'dür. Malzeme türü 43, başlangıç ​​geçirgenliği 850 olan bir nikel çinko ferrittir. Malzeme türü 61, başlangıç ​​geçirgenliği 125 olan bir nikel çinko ferrittir.
Şekil 3'te Tip 61 malzemenin seri bileşenine odaklandığımızda geçirgenliğin gerçek kısmının (μs') artan frekansla birlikte kritik bir frekansa ulaşılana kadar sabit kaldığını, daha sonra hızla azaldığını görüyoruz. Kayıp veya μs” artıyor ve μs' düştükçe zirveye ulaşır. μs'deki bu azalma ferrimanyetik rezonansın başlamasından kaynaklanmaktadır. [3] Geçirgenlik ne kadar yüksek olursa frekansın o kadar düşük olduğuna dikkat edilmelidir. Bu ters ilişki ilk olarak Snoek tarafından gözlemlenmiş ve aşağıdaki formülü vermiştir:
burada: maksimum γ'da ƒres = μs” frekansı = jiromanyetik oran = 0,22 x 106 A-1 m μi = başlangıç ​​geçirgenliği Msat = 250-350 Am-1
Düşük sinyal seviyesinde ve güç uygulamalarında kullanılan ferrit çekirdekler bu frekansın altındaki manyetik parametrelere odaklandığından, ferrit üreticileri nadiren yüksek frekanslarda geçirgenlik ve/veya kayıp verilerini yayınlar. Bununla birlikte, EMI bastırma için ferrit çekirdekleri belirlerken daha yüksek frekans verileri önemlidir.
Çoğu ferrit üreticisinin EMI bastırma için kullanılan bileşenler için belirlediği karakteristik özellik empedanstır. Empedans, ticari olarak temin edilebilen, doğrudan dijital okumalı bir analizörde kolayca ölçülür. Ne yazık ki, empedans genellikle belirli bir frekansta belirtilir ve kompleksin büyüklüğünü temsil eden bir skaler değerdir. empedans vektörü. Bu bilgi değerli olsa da, özellikle ferritlerin devre performansını modellerken genellikle yetersizdir. Bunu başarmak için bileşenin empedans değeri ve faz açısı veya belirli malzemenin karmaşık geçirgenliği mevcut olmalıdır.
Ancak bir devredeki ferrit bileşenlerin performansını modellemeye başlamadan önce bile tasarımcıların aşağıdakileri bilmesi gerekir:
burada μ'= karmaşık geçirgenliğin gerçek kısmı μ”= karmaşık geçirgenliğin sanal kısmı j = birimin sanal vektörü Lo= hava çekirdeği endüktansı
Demir çekirdeğin empedansı aynı zamanda her ikisi de frekansa bağlı olan endüktif reaktans (XL) ve kayıp direncinin (Rs) seri kombinasyonu olarak kabul edilir. Kayıpsız bir çekirdek, reaktans tarafından verilen bir empedansa sahip olacaktır:
burada: Rs = toplam seri direnç = Rm + Re Rm = manyetik kayıplardan dolayı eşdeğer seri direnç Re = bakır kayıpları için eşdeğer seri direnç
Düşük frekanslarda, bileşenin empedansı öncelikli olarak endüktiftir. Frekans arttıkça endüktans azalırken kayıplar artar ve toplam empedans artar. Şekil 4, orta geçirgenliğe sahip malzemelerimiz için XL, Rs ve Z'nin frekansa karşı tipik bir grafiğidir. .
Bu durumda endüktif reaktans, hava çekirdeği endüktansı olan Lo ile karmaşık geçirgenliğin gerçek kısmıyla orantılıdır:
Kayıp direnci aynı zamanda karmaşık geçirgenliğin hayali kısmıyla da aynı sabitle orantılıdır:
Denklem 9'da çekirdek malzemesi µs' ve µs”, çekirdek geometrisi ise Lo ile verilmektedir. Dolayısıyla farklı ferritlerin kompleks geçirgenlikleri bilindikten sonra, istenilen oranda en uygun malzemeyi elde etmek için karşılaştırma yapılabilir. frekans veya frekans aralığı. En iyi malzemeyi seçtikten sonra sıra en iyi boyuttaki bileşenleri seçmeye gelir. Karmaşık geçirgenlik ve empedansın vektör temsili Şekil 5'te gösterilmektedir.
Üretici, bastırma uygulamaları için önerilen ferrit malzemeler için karmaşık geçirgenlik-frekans grafiği sağlarsa, empedans optimizasyonu için çekirdek şekilleri ile çekirdek malzemelerinin karşılaştırılması basittir. Ne yazık ki, bu bilgi nadiren mevcuttur. Ancak çoğu üretici, başlangıç ​​geçirgenliği ve frekansa karşı kayıp sağlar. eğriler. Bu verilerden çekirdek empedansını optimize etmek için kullanılan malzemelerin bir karşılaştırması elde edilebilir.
Şekil 6'ya bakıldığında, tasarımcının 100 ile 900 kHz arasında bir maksimum empedans garanti etmek istediğini varsayarak Fair-Rite 73 malzemesinin frekansa karşı başlangıç ​​geçirgenliği ve dağılım faktörü [4] kullanılmıştır.73 malzemeler seçilmiştir. Modelleme amacıyla tasarımcı ayrıca 100 kHz (105 Hz) ve 900 kHz'deki empedans vektörünün reaktif ve dirençli kısımlarını anlaması gerekir. Bu bilgi aşağıdaki tablodan elde edilebilir:
100kHz'de μs' = μi = 2500 ve (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 çünkü Tan δ = μs ”/ μs' sonra μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Beklendiği gibi μ"'nin bu düşük frekansta toplam geçirgenlik vektörüne çok az katkıda bulunduğuna dikkat edilmelidir. Çekirdeğin empedansı çoğunlukla endüktiftir.
Tasarımcılar çekirdeğin #22 kabloyu kabul etmesi ve 10 mm x 5 mm'lik bir boşluğa sığması gerektiğini biliyor. İç çap 0,8 mm olarak belirtilecektir. Tahmini empedansı ve bileşenlerini çözmek için önce dış çapı 10 mm olan bir boncuk seçin. 10 mm ve 5 mm yükseklik:
Z= ωLo (2500,38) = (6,28 x 105) x 0,0461 x log10 (5/0,8) x 10 x (2500,38) x 10-8= 100 kHz'de 5,76 ohm
Çoğu durumda olduğu gibi bu durumda maksimum empedans, daha uzun uzunlukta daha küçük bir OD kullanılarak elde edilir. ID daha büyükse, örneğin 4 mm veya bunun tersi.
Birim Lo başına empedans grafikleri ve frekansa karşı faz açısı grafikleri sağlanırsa aynı yaklaşım kullanılabilir. Şekil 9, 10 ve 11, burada kullanılan aynı üç malzeme için bu tür eğrileri temsil eder.
Tasarımcılar 25 MHz ila 100 MHz frekans aralığında maksimum empedansı garanti etmek istiyorlar. Mevcut kart alanı yine 10 mm x 5 mm'dir ve çekirdek #22 awg kabloyu kabul etmelidir. Üç ferrit malzemenin birim empedansı Lo için Şekil 7'ye başvurulursa, veya Şekil 8'de aynı üç malzemenin karmaşık geçirgenliği için 850 μi malzemeyi seçin.[5] Şekil 9'daki grafiği kullanarak, orta geçirgenliğe sahip malzemenin Z/Lo'su 25 MHz'de 350 x 108 ohm/H'dir. Tahmini empedansı çözün:
Önceki tartışma, seçilen çekirdeğin silindirik olduğunu varsayar. Düz şerit kablolar, demetlenmiş kablolar veya delikli plakalar için ferrit çekirdekler kullanılırsa, Lo'nun hesaplanması daha zor hale gelir ve oldukça doğru çekirdek yolu uzunluğu ve etkin alan rakamları elde edilmelidir. hava çekirdeği endüktansını hesaplamak için. Bu, çekirdeği matematiksel olarak dilimleyerek ve her dilim için hesaplanan yol uzunluğunu ve manyetik alanı toplayarak yapılabilir. Ancak her durumda, empedanstaki artış veya azalma, havadaki artış veya azalmayla orantılı olacaktır. ferrit çekirdeğin yüksekliği/uzunluğu.[6]
Belirtildiği gibi, çoğu üretici EMI uygulamaları için çekirdekleri empedans açısından belirtir, ancak son kullanıcının genellikle zayıflamayı bilmesi gerekir. Bu iki parametre arasında var olan ilişki şöyledir:
Bu ilişki, gürültüyü üreten kaynağın empedansına ve gürültüyü alan yükün empedansına bağlıdır. Bu değerler genellikle karmaşık sayılardır, aralığı sonsuz olabilir ve tasarımcının kolayca elde etmesi mümkün değildir. Kaynak bir anahtarlamalı güç kaynağı olduğunda ve birçok düşük empedanslı devreyi yüklediğinde oluşabilecek yük ve kaynak empedansları için 1 ohm, denklemleri basitleştirir ve ferrit çekirdeklerin zayıflamasının karşılaştırılmasına olanak tanır.
Şekil 12'deki grafik, yük artı jeneratör empedansının birçok ortak değeri için kalkan boncuk empedansı ile zayıflama arasındaki ilişkiyi gösteren bir dizi eğridir.
Şekil 13, Zs iç direncine sahip bir girişim kaynağının eşdeğer devresidir. Girişim sinyali, baskılayıcı çekirdeğin seri empedansı Zsc ve yük empedansı ZL tarafından üretilir.
Şekil 14 ve 15, aynı üç ferrit malzeme için empedans-sıcaklık grafikleridir. Bu malzemelerin en kararlı olanı, 100° C ve 100 MHz'de empedansta %8'lik bir azalmaya sahip olan 61 malzemesidir. Buna karşılık, 43 malzemesi, 25'lik bir direnç gösterdi. Aynı frekans ve sıcaklıkta empedanstaki % düşüş. Sağlandığında bu eğriler, yüksek sıcaklıklarda zayıflama gerekiyorsa belirtilen oda sıcaklığı empedansını ayarlamak için kullanılabilir.
Sıcaklıkta olduğu gibi, DC ve 50 veya 60 Hz besleme akımları da aynı doğal ferrit özelliklerini etkiler ve bu da daha düşük çekirdek empedansıyla sonuçlanır. Şekil 16, 17 ve 18, bir ferrit malzemenin empedansı üzerindeki öngerilim etkisini gösteren tipik eğrilerdir. Bu eğri, empedans bozulmasını, frekansın bir fonksiyonu olarak belirli bir malzeme için alan kuvvetinin bir fonksiyonu olarak tanımlar. Frekans arttıkça yanlılığın etkisinin azaldığına dikkat edilmelidir.
Bu veriler derlendiğinden beri Fair-Rite Products iki yeni malzemeyi piyasaya sürdü. 44'ümüz nikel-çinko orta geçirgenliğe sahip bir malzemedir ve 31'imiz ise manganez-çinko yüksek geçirgenliğe sahip bir malzemedir.
Şekil 19, 31, 73, 44 ve 43 malzemelerindeki aynı boyuttaki boncuklar için empedans-frekans grafiğidir. 44 malzemesi, daha yüksek DC direncine, 109 ohm cm2'ye, daha iyi termal şok özelliklerine, sıcaklık stabilitesine ve daha iyi özelliklere sahip geliştirilmiş bir 43 malzemesidir. daha yüksek Curie sıcaklığı (Tc). 44 malzemesi, bizim 43 malzememize kıyasla biraz daha yüksek empedans-frekans özelliklerine sahiptir. Sabit malzeme 31, tüm ölçüm frekans aralığı boyunca 43 veya 44'ten daha yüksek bir empedans sergiler. 31, titreşimi hafifletmek için tasarlanmıştır. Daha büyük manganez-çinko çekirdeklerin düşük frekans bastırma performansını etkileyen boyutsal rezonans problemi, kablo konnektörü bastırma çekirdeklerine ve büyük toroidal çekirdeklere başarıyla uygulanmıştır. Şekil 20, Fair için 43, 31 ve 73 malzemeleri için empedans-frekans grafiğidir. -0,562″ OD, 0,250 ID ve 1,125 HT'ye sahip Rite çekirdekler. Şekil 19 ile Şekil 20'yi karşılaştırırken şunu belirtmek gerekir ki, daha küçük çekirdekler için, 25 MHz'e kadar olan frekanslar için 73 malzemesi en iyi baskılayıcı malzemedir. Ancak çekirdek kesiti arttıkça maksimum frekans azalır. Şekil 20'deki verilerde görüldüğü gibi 73 en iyi frekanstır. En yüksek frekans ise 8 MHz'dir. Ayrıca 31 malzemenin 8 MHz ila 300 MHz frekans aralığında iyi performans gösterdiğini de belirtmekte fayda var. Bununla birlikte, bir manganez çinko ferrit olarak 31 malzemesi, 102 ohm-cm gibi çok daha düşük bir hacim direncine sahiptir ve aşırı sıcaklık değişimleriyle daha fazla empedans değişimine sahiptir.
Sözlük Hava Çekirdeği Endüktansı – Lo (H) Çekirdeğin düzgün geçirgenliğe sahip olması ve akı dağılımının sabit kalması durumunda ölçülecek endüktans. Genel formül Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Halka Lo = .0461 N2 log10 (OD) /ID) Ht 10-8 (H) Boyutlar mm cinsindendir
Zayıflama – A (dB) Bir noktadan diğerine iletim sırasında sinyal genliğinin azaltılması. Giriş genliğinin çıkış genliğine desibel cinsinden skaler oranıdır.
Çekirdek Sabiti – C1 (cm-1) Manyetik devrenin her bölümünün manyetik yol uzunluklarının toplamının aynı bölümün karşılık gelen manyetik bölgesine bölümü.
Çekirdek Sabiti – C2 (cm-3) Manyetik devrenin her bölümünün manyetik devre uzunluklarının toplamı, aynı bölümün karşılık gelen manyetik alanının karesine bölünür.
Manyetik yol alanının etkin boyutları Ae (cm2), yol uzunluğu le (cm) ve hacim Ve (cm3) Belirli bir çekirdek geometrisi için, manyetik yol uzunluğunun, kesit alanının ve hacminin olduğu varsayılmaktadır. toroidal çekirdek aynı malzeme özelliklerine sahiptir. Malzeme, verilen çekirdeğe eşdeğer manyetik özelliklere sahip olmalıdır.
Alan Gücü – H (Oersted) Alan gücünün büyüklüğünü karakterize eden bir parametre.H = 0,4 π NI/le (Oersted)
Akı Yoğunluğu – B (Gaussian) Akı yoluna normal bölgedeki indüklenen manyetik alanın karşılık gelen parametresi.
Empedans – Z (ohm) Bir ferritin empedansı, karmaşık geçirgenliği cinsinden ifade edilebilir. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Kayıp Tanjant – tan δ Bir ferritin kayıp tanjantı, Q devresinin tersine eşittir.
Kayıp Faktörü – tan δ/μi Manyetik akı yoğunluğunun temel bileşenleri ve başlangıç ​​geçirgenliği ile alan kuvveti arasındaki fazın uzaklaştırılması.
Manyetik Geçirgenlik – μ Manyetik akı yoğunluğunun uygulanan alternatif alan kuvvetine oranından türetilen manyetik geçirgenlik…
Genlik geçirgenliği, μa – akı yoğunluğunun belirtilen değeri, başlangıç ​​geçirgenliği için kullanılan değerden büyük olduğunda.
Etkin Geçirgenlik, μe – Manyetik yol bir veya daha fazla hava boşluğu ile oluşturulduğunda geçirgenlik, aynı isteksizliği sağlayacak varsayımsal homojen bir malzemenin geçirgenliğidir.
In Compliance, elektrik ve elektronik mühendisliği profesyonelleri için önde gelen haber, bilgi, eğitim ve ilham kaynağıdır.
Havacılık ve Uzay Otomotiv İletişim Tüketici Elektroniği Eğitim Enerji ve Enerji Endüstrisi Bilgi Teknolojisi Medikal Askeri ve Savunma