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En nuestro mundo ideal, la seguridad, la calidad y el rendimiento son primordiales. Sin embargo, en muchos casos, el costo del componente final, incluida la ferrita, se ha convertido en el factor determinante. Este artículo tiene como objetivo ayudar a los ingenieros de diseño a encontrar materiales de ferrita alternativos para reducir costo.
Las propiedades intrínsecas deseadas del material y la geometría del núcleo están determinadas por cada aplicación específica. Las propiedades inherentes que gobiernan el rendimiento en aplicaciones de bajo nivel de señal son la permeabilidad (especialmente la temperatura), bajas pérdidas en el núcleo y buena estabilidad magnética con el tiempo y la temperatura. Las aplicaciones incluyen alta calidad inductores, inductores de modo común, transformadores de banda ancha, adaptados y de pulso, elementos de antena de radio y repetidores activos y pasivos. Para aplicaciones de energía, una alta densidad de flujo y bajas pérdidas en la frecuencia y temperatura de operación son características deseables. Las aplicaciones incluyen fuentes de alimentación de modo conmutado para carga de baterías de vehículos eléctricos, amplificadores magnéticos, convertidores DC-DC, filtros de potencia, bobinas de encendido y transformadores.
La propiedad intrínseca que tiene el mayor impacto en el rendimiento de la ferrita blanda en aplicaciones de supresión es la permeabilidad compleja [1], que es proporcional a la impedancia del núcleo. Hay tres formas de utilizar la ferrita como supresor de señales no deseadas (conducidas o radiadas). ).La primera, y menos común, es como un escudo práctico, donde se usan ferritas para aislar conductores, componentes o circuitos del entorno del campo electromagnético parásito radiante. En la segunda aplicación, las ferritas se usan con elementos capacitivos para crear un paso bajo. filtro, es decir, inductancia, capacitiva a bajas frecuencias y disipación a altas frecuencias. El tercer y más común uso es cuando los núcleos de ferrita se usan solos para cables de componentes o circuitos a nivel de placa. En esta aplicación, el núcleo de ferrita evita cualquier oscilación parásita y/o o atenúa la captación o transmisión de señales no deseadas que pueden propagarse a lo largo de los conductores o interconexiones, trazas o cables de los componentes. En la segunda y tercera aplicaciones, los núcleos de ferrita suprimen la EMI conducida eliminando o reduciendo en gran medida las corrientes de alta frecuencia consumidas por las fuentes de EMI. La introducción de ferrita proporciona Impedancia de frecuencia suficientemente alta para suprimir las corrientes de alta frecuencia. En teoría, una ferrita ideal proporcionaría una alta impedancia en frecuencias EMI y una impedancia cero en todas las demás frecuencias. En efecto, los núcleos supresores de ferrita proporcionan una impedancia dependiente de la frecuencia. En frecuencias inferiores a 1 MHz, el La impedancia máxima se puede obtener entre 10 MHz y 500 MHz dependiendo del material de ferrita.
Dado que es consistente con los principios de la ingeniería eléctrica, donde el voltaje y la corriente CA están representados por parámetros complejos, la permeabilidad de un material se puede expresar como un parámetro complejo que consta de partes reales e imaginarias. Esto se demuestra en altas frecuencias, donde la la permeabilidad se divide en dos componentes. La parte real (μ') representa la parte reactiva, que está en fase con el campo magnético alterno [2], mientras que la parte imaginaria (μ”) representa las pérdidas, que están desfasadas con el campo magnético alterno. Estos pueden expresarse como componentes en serie (μs'μs”) o en componentes paralelos (μp'μp”). Los gráficos de las Figuras 1, 2 y 3 muestran los componentes en serie de la permeabilidad inicial compleja en función de la frecuencia para tres materiales de ferrita. El tipo de material 73 es una ferrita de manganeso-zinc, la conductividad magnética inicial es 2500. El tipo de material 43 es una ferrita de zinc y níquel con una permeabilidad inicial de 850. El tipo de material 61 es una ferrita de zinc y níquel con una permeabilidad inicial de 125.
Centrándonos en el componente en serie del material Tipo 61 en la Figura 3, vemos que la parte real de la permeabilidad, μs', permanece constante al aumentar la frecuencia hasta que se alcanza una frecuencia crítica, y luego disminuye rápidamente. La pérdida o μs” aumenta y luego alcanza su punto máximo a medida que cae μs. Esta disminución de μs' se debe a la aparición de resonancia ferrimagnética. [3] Cabe señalar que cuanto mayor es la permeabilidad, menor es la frecuencia. Esta relación inversa fue observada por primera vez por Snoek y dio la siguiente fórmula:
donde: ƒres = μs” frecuencia máxima γ = relación giromagnética = 0,22 x 106 A-1 m μi = permeabilidad inicial Msat = 250-350 Am-1
Dado que los núcleos de ferrita utilizados en aplicaciones de potencia y nivel de señal bajos se centran en parámetros magnéticos por debajo de esta frecuencia, los fabricantes de ferrita rara vez publican datos de permeabilidad y/o pérdida en frecuencias más altas. Sin embargo, los datos de frecuencias más altas son esenciales al especificar núcleos de ferrita para la supresión de EMI.
La característica que la mayoría de los fabricantes de ferrita especifican para los componentes utilizados para la supresión de EMI es la impedancia. La impedancia se mide fácilmente en un analizador disponible comercialmente con lectura digital directa. Desafortunadamente, la impedancia generalmente se especifica en una frecuencia específica y es un escalar que representa la magnitud del complejo. vector de impedancia. Si bien esta información es valiosa, a menudo es insuficiente, especialmente cuando se modela el rendimiento del circuito de ferritas. Para lograr esto, debe estar disponible el valor de impedancia y el ángulo de fase del componente, o la permeabilidad compleja del material específico.
Pero incluso antes de comenzar a modelar el desempeño de los componentes de ferrita en un circuito, los diseñadores deben saber lo siguiente:
donde μ'= parte real de la permeabilidad compleja μ”= parte imaginaria de la permeabilidad compleja j = vector imaginario de la unidad Lo= inductancia del núcleo de aire
La impedancia del núcleo de hierro también se considera la combinación en serie de la reactancia inductiva (XL) y la resistencia de pérdida (Rs), las cuales dependen de la frecuencia. Un núcleo sin pérdidas tendrá una impedancia dada por la reactancia:
donde: Rs = resistencia en serie total = Rm + Re Rm = resistencia en serie equivalente debido a pérdidas magnéticas Re = resistencia en serie equivalente para pérdidas en cobre
A bajas frecuencias, la impedancia del componente es principalmente inductiva. A medida que aumenta la frecuencia, la inductancia disminuye mientras que las pérdidas aumentan y la impedancia total aumenta. La Figura 4 es un gráfico típico de XL, Rs y Z versus frecuencia para nuestros materiales de permeabilidad media. .
Entonces la reactancia inductiva es proporcional a la parte real de la permeabilidad compleja, por Lo, la inductancia del núcleo de aire:
La resistencia a la pérdida también es proporcional a la parte imaginaria de la permeabilidad compleja por la misma constante:
En la Ecuación 9, el material del núcleo está dado por µs' y µs”, y la geometría del núcleo está dada por Lo. Por lo tanto, después de conocer la permeabilidad compleja de diferentes ferritas, se puede hacer una comparación para obtener el material más adecuado al nivel deseado. frecuencia o rango de frecuencia. Después de elegir el mejor material, es hora de elegir los componentes de mejor tamaño. La representación vectorial de permeabilidad e impedancia complejas se muestra en la Figura 5.
La comparación de las formas y materiales del núcleo para la optimización de la impedancia es sencilla si el fabricante proporciona un gráfico de permeabilidad compleja versus frecuencia para los materiales de ferrita recomendados para aplicaciones de supresión. Desafortunadamente, esta información rara vez está disponible. Sin embargo, la mayoría de los fabricantes brindan permeabilidad inicial y pérdida versus frecuencia. curvas. A partir de estos datos se puede derivar una comparación de los materiales utilizados para optimizar la impedancia del núcleo.
Con referencia a la Figura 6, la permeabilidad inicial y el factor de disipación [4] del material Fair-Rite 73 versus la frecuencia, asumiendo que el diseñador quiere garantizar una impedancia máxima entre 100 y 900 kHz. Se seleccionaron 73 materiales. Para propósitos de modelado, el diseñador también necesita comprender las partes reactiva y resistiva del vector de impedancia a 100 kHz (105 Hz) y 900 kHz. Esta información se puede derivar del siguiente cuadro:
A 100kHz μs' = μi = 2500 y (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 porque Tan δ = μs ”/ μs' entonces μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Cabe señalar que, como era de esperar, μ” añade muy poco al vector de permeabilidad total a esta baja frecuencia. La impedancia del núcleo es mayoritariamente inductiva.
Los diseñadores saben que el núcleo debe aceptar alambre #22 y encajar en un espacio de 10 mm x 5 mm. El diámetro interior se especificará como 0,8 mm. Para resolver la impedancia estimada y sus componentes, primero seleccione una cuenta con un diámetro exterior de 10 mm y una altura de 5 mm:
Z= ωLo (2500.38) = (6.28 x 105) x .0461 x log10 (5/.8) x 10 x (2500.38) x 10-8= 5.76 ohmios a 100 kHz
En este caso, como en la mayoría de los casos, la impedancia máxima se logra utilizando un diámetro exterior más pequeño con una longitud mayor. Si el diámetro interior es mayor, por ejemplo, 4 mm, y viceversa.
Se puede utilizar el mismo enfoque si se proporcionan gráficos de impedancia por unidad Lo y ángulo de fase versus frecuencia. Las Figuras 9, 10 y 11 representan dichas curvas para los mismos tres materiales utilizados en este documento.
Los diseñadores quieren garantizar la máxima impedancia en el rango de frecuencia de 25 MHz a 100 MHz. El espacio disponible en la placa es nuevamente de 10 mm x 5 mm y el núcleo debe aceptar un cable #22 awg. Consulte la Figura 7 para conocer la impedancia unitaria Lo de los tres materiales de ferrita. o en la Figura 8 para ver la permeabilidad compleja de los mismos tres materiales, seleccione el material de 850 μi.[5] Usando el gráfico de la Figura 9, el Z/Lo del material de permeabilidad media es 350 x 108 ohm/H a 25 MHz. Resuelva la impedancia estimada:
La discusión anterior supone que el núcleo elegido es cilíndrico. Si se utilizan núcleos de ferrita para cables planos, haces de cables o placas perforadas, el cálculo de Lo se vuelve más difícil y se deben obtener cifras bastante precisas de longitud de trayectoria del núcleo y de área efectiva. para calcular la inductancia del núcleo de aire. Esto se puede hacer cortando matemáticamente el núcleo y sumando la longitud de la trayectoria calculada y el área magnética para cada corte. Sin embargo, en todos los casos, el aumento o disminución de la impedancia será proporcional al aumento o disminución de la altura/longitud del núcleo de ferrita.[6]
Como se mencionó, la mayoría de los fabricantes especifican los núcleos para aplicaciones EMI en términos de impedancia, pero el usuario final generalmente necesita conocer la atenuación. La relación que existe entre estos dos parámetros es:
Esta relación depende de la impedancia de la fuente que genera el ruido y de la impedancia de la carga que recibe el ruido. Estos valores suelen ser números complejos, cuyo rango puede ser infinito, y no están fácilmente disponibles para el diseñador. Elegir un valor de 1 ohmio para las impedancias de carga y fuente, que puede ocurrir cuando la fuente es una fuente de alimentación de modo conmutado y carga muchos circuitos de baja impedancia, simplifica las ecuaciones y permite comparar la atenuación de los núcleos de ferrita.
El gráfico de la Figura 12 es un conjunto de curvas que muestran la relación entre la impedancia del cordón de protección y la atenuación para muchos valores comunes de carga más impedancia del generador.
La Figura 13 es un circuito equivalente de una fuente de interferencia con una resistencia interna de Zs. La señal de interferencia se genera mediante la impedancia en serie Zsc del núcleo supresor y la impedancia de carga ZL.
Las figuras 14 y 15 son gráficos de impedancia versus temperatura para los mismos tres materiales de ferrita. El más estable de estos materiales es el material 61 con una reducción del 8% en la impedancia a 100º C y 100 MHz. En contraste, el material 43 mostró una reducción de 25 % de caída de impedancia a la misma frecuencia y temperatura. Estas curvas, cuando se proporcionan, se pueden utilizar para ajustar la impedancia de temperatura ambiente especificada si se requiere atenuación a temperaturas elevadas.
Al igual que con la temperatura, las corrientes de suministro de CC y de 50 o 60 Hz también afectan las mismas propiedades inherentes de la ferrita, lo que a su vez da como resultado una menor impedancia del núcleo. Las figuras 16, 17 y 18 son curvas típicas que ilustran el efecto de la polarización en la impedancia de un material de ferrita. Esta curva describe la degradación de la impedancia en función de la intensidad del campo para un material particular en función de la frecuencia. Cabe señalar que el efecto de la polarización disminuye a medida que aumenta la frecuencia.
Desde que se recopilaron estos datos, Fair-Rite Products ha introducido dos nuevos materiales. Nuestro 44 es un material de níquel-zinc de permeabilidad media y nuestro 31 es un material de manganeso-zinc de alta permeabilidad.
La Figura 19 es un gráfico de impedancia versus frecuencia para perlas del mismo tamaño en materiales 31, 73, 44 y 43. El material 44 es un material 43 mejorado con mayor resistividad de CC, 109 ohm cm, mejores propiedades de choque térmico, estabilidad de temperatura y Temperatura de Curie más alta (Tc). El material 44 tiene características de impedancia versus frecuencia ligeramente más altas en comparación con nuestro material 43. El material estacionario 31 exhibe una impedancia más alta que el 43 o el 44 en todo el rango de frecuencia de medición. El 31 está diseñado para aliviar la problema de resonancia dimensional que afecta el rendimiento de supresión de baja frecuencia de núcleos de manganeso-zinc más grandes y se ha aplicado con éxito a núcleos de supresión de conectores de cables y núcleos toroidales grandes. La Figura 20 es un gráfico de impedancia versus frecuencia para materiales 43, 31 y 73 para Fair -Núcleos Rite con 0.562 ″ OD, 0.250 ID y 1.125 HT. Al comparar la Figura 19 y la Figura 20, cabe señalar que para núcleos más pequeños, para frecuencias de hasta 25 MHz, el material 73 es el mejor material supresor. Sin embargo, a medida que aumenta la sección transversal del núcleo, la frecuencia máxima disminuye. Como se muestra en los datos de la Figura 20, 73 es la mejor. La frecuencia más alta es 8 MHz. También vale la pena señalar que el material 31 funciona bien en el rango de frecuencia de 8 MHz a 300 MHz. Sin embargo, como ferrita de manganeso y zinc, el material 31 tiene una resistividad de volumen mucho menor de 102 ohmios-cm y más cambios de impedancia con cambios extremos de temperatura.
Glosario Inductancia del núcleo de aire – Lo (H) La inductancia que se mediría si el núcleo tuviera una permeabilidad uniforme y la distribución del flujo permaneciera constante. Fórmula general Lo = 4π N2 10-9 (H) Anillo C1 Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Las dimensiones están en mm
Atenuación – A (dB) La reducción en la amplitud de la señal en la transmisión de un punto a otro. Es una relación escalar entre la amplitud de entrada y la amplitud de salida, en decibeles.
Constante del núcleo – C1 (cm-1) La suma de las longitudes de la trayectoria magnética de cada sección del circuito magnético dividida por la región magnética correspondiente de la misma sección.
Constante del núcleo – C2 (cm-3) La suma de las longitudes del circuito magnético de cada sección del circuito magnético dividida por el cuadrado del dominio magnético correspondiente de la misma sección.
Las dimensiones efectivas del área de la trayectoria magnética Ae (cm2), la longitud de la trayectoria le (cm) y el volumen Ve (cm3) Para una geometría de núcleo dada, se supone que la longitud de la trayectoria magnética, el área de la sección transversal y el volumen de El núcleo toroidal tiene las mismas propiedades materiales que El material debe tener propiedades magnéticas equivalentes a las del núcleo dado.
Intensidad de campo – H (Oersted) Parámetro que caracteriza la magnitud de la intensidad de campo. H = 0,4 π NI/le (Oersted)
Densidad de flujo – B (Gaussiano) El parámetro correspondiente del campo magnético inducido en la región normal a la trayectoria del flujo.
Impedancia – Z (ohmios) La impedancia de una ferrita se puede expresar en términos de su permeabilidad compleja.Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohmios)
Tangente de pérdidas – tan δ La tangente de pérdidas de una ferrita es igual al recíproco del circuito Q.
Factor de pérdida: tan δ/μi Eliminación de fase entre los componentes fundamentales de la densidad del flujo magnético y la intensidad del campo con la permeabilidad inicial.
Permeabilidad magnética – μ La permeabilidad magnética derivada de la relación entre la densidad del flujo magnético y la intensidad del campo alterno aplicado es…
Permeabilidad de amplitud, μa: cuando el valor especificado de densidad de flujo es mayor que el valor utilizado para la permeabilidad inicial.
Permeabilidad efectiva, μe: cuando la ruta magnética se construye con uno o más espacios de aire, la permeabilidad es la permeabilidad de un material hipotético homogéneo que proporcionaría la misma reluctancia.
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