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Em nosso mundo ideal, segurança, qualidade e desempenho são fundamentais. Em muitos casos, entretanto, o custo do componente final, incluindo a ferrita, tornou-se o fator determinante. custo.
As propriedades intrínsecas desejadas do material e a geometria do núcleo são determinadas por cada aplicação específica. As propriedades inerentes que governam o desempenho em aplicações de baixo nível de sinal são permeabilidade (especialmente temperatura), baixas perdas no núcleo e boa estabilidade magnética ao longo do tempo e da temperatura. indutores, indutores de modo comum, banda larga, transformadores combinados e de pulso, elementos de antena de rádio e repetidores ativos e passivos. Para aplicações de energia, alta densidade de fluxo e baixas perdas na frequência e temperatura operacionais são características desejáveis. carregamento de baterias de veículos elétricos, amplificadores magnéticos, conversores DC-DC, filtros de energia, bobinas de ignição e transformadores.
A propriedade intrínseca que tem maior impacto no desempenho da ferrita mole em aplicações de supressão é a permeabilidade complexa [1], que é proporcional à impedância do núcleo. Existem três maneiras de usar a ferrita como supressor de sinais indesejados (conduzidos ou irradiados ).A primeira, e menos comum, é como uma blindagem prática, onde as ferritas são usadas para isolar condutores, componentes ou circuitos do ambiente de campo eletromagnético disperso radiante. Na segunda aplicação, as ferritas são usadas com elementos capacitivos para criar uma passagem baixa filtro, ou seja, indutância – capacitiva em baixas frequências e dissipação em altas frequências. O terceiro e mais comum uso é quando núcleos de ferrite são usados ​​sozinhos para condutores de componentes ou circuitos de nível de placa. ou atenua a captação ou transmissão de sinais indesejados que podem se propagar ao longo dos condutores ou interconexões dos componentes, traços ou cabos. Na segunda e terceira aplicações, os núcleos de ferrite suprimem a EMI conduzida, eliminando ou reduzindo bastante as correntes de alta frequência consumidas pelas fontes de EMI. impedância de frequência alta o suficiente para suprimir correntes de alta frequência. Em teoria, uma ferrita ideal forneceria alta impedância em frequências EMI e impedância zero em todas as outras frequências. a impedância máxima pode ser obtida entre 10 MHz e 500 MHz dependendo do material de ferrite.
Por ser consistente com os princípios da engenharia elétrica, onde a tensão e a corrente CA são representadas por parâmetros complexos, a permeabilidade de um material pode ser expressa como um parâmetro complexo que consiste em partes reais e imaginárias. a permeabilidade se divide em dois componentes. A parte real (μ') representa a parte reativa, que está em fase com o campo magnético alternado [2], enquanto a parte imaginária (μ”) representa as perdas, que estão fora de fase com o campo magnético alternado. Estes podem ser expressos como componentes em série (μs'μs”) ou em componentes paralelos (µp'µp”). Os gráficos das Figuras 1, 2 e 3 mostram os componentes da série da permeabilidade inicial complexa em função da frequência para três materiais de ferrita. O tipo de material 73 é uma ferrita de manganês-zinco, a condutividade magnética inicial é 2500. O tipo de material 43 é uma ferrita de níquel-zinco com uma permeabilidade inicial de 850. O tipo de material 61 é uma ferrite de níquel-zinco com uma permeabilidade inicial de 125.
Focando no componente em série do material Tipo 61 na Figura 3, vemos que a parte real da permeabilidade, μs', permanece constante com o aumento da frequência até que uma frequência crítica seja atingida, e então diminui rapidamente. A perda ou μs” aumenta e então atinge o pico à medida que μs' cai. Esta diminuição em μs' é devida ao início da ressonância ferrimagnética. [3] Deve-se notar que quanto maior a permeabilidade, maior será a frequência. Esta relação inversa foi observada pela primeira vez por Snoek e deu a seguinte fórmula:
onde: ƒres = μs” frequência no máximo γ = razão giromagnética = 0,22 x 106 A-1 m μi = permeabilidade inicial Msat = 250-350 Am-1
Como os núcleos de ferrite usados ​​em aplicações de baixa potência e sinal se concentram em parâmetros magnéticos abaixo dessa frequência, os fabricantes de ferrite raramente publicam dados de permeabilidade e/ou perda em frequências mais altas. No entanto, dados de frequência mais alta são essenciais ao especificar núcleos de ferrite para supressão de EMI.
A característica que a maioria dos fabricantes de ferrite especifica para componentes usados ​​para supressão de EMI é a impedância. A impedância é facilmente medida em um analisador disponível comercialmente com leitura digital direta. Infelizmente, a impedância geralmente é especificada em uma frequência específica e é um escalar que representa a magnitude do complexo vetor de impedância. Embora essas informações sejam valiosas, muitas vezes são insuficientes, especialmente ao modelar o desempenho do circuito de ferritas. Para conseguir isso, o valor da impedância e o ângulo de fase do componente, ou a permeabilidade complexa do material específico, devem estar disponíveis.
Mas mesmo antes de começar a modelar o desempenho dos componentes de ferrite em um circuito, os projetistas devem saber o seguinte:
onde μ'= parte real da permeabilidade complexa μ”= parte imaginária da permeabilidade complexa j = vetor imaginário da unidade Lo= indutância do núcleo de ar
A impedância do núcleo de ferro também é considerada a combinação em série da reatância indutiva (XL) e da resistência à perda (Rs), ambas dependentes da frequência. Um núcleo sem perdas terá uma impedância dada pela reatância:
onde: Rs = resistência total em série = Rm + Re Rm = resistência em série equivalente devido a perdas magnéticas Re = resistência em série equivalente para perdas de cobre
Em baixas frequências, a impedância do componente é principalmente indutiva. À medida que a frequência aumenta, a indutância diminui enquanto as perdas aumentam e a impedância total aumenta. A Figura 4 é um gráfico típico de XL, Rs e Z versus frequência para nossos materiais de permeabilidade média .
Então a reatância indutiva é proporcional à parte real da permeabilidade complexa, por Lo, a indutância do núcleo de ar:
A resistência à perda também é proporcional à parte imaginária da permeabilidade complexa pela mesma constante:
Na Equação 9, o material do núcleo é dado por µs' e µs”, e a geometria do núcleo é dada por Lo. Portanto, após conhecer a permeabilidade complexa de diferentes ferritas, pode-se fazer uma comparação para obter o material mais adequado na condição desejada. frequência ou faixa de frequência.Depois de escolher o melhor material, é hora de escolher os componentes de melhor tamanho.A representação vetorial de permeabilidade e impedância complexas é mostrada na Figura 5.
A comparação dos formatos e materiais do núcleo para otimização da impedância é direta se o fabricante fornecer um gráfico de permeabilidade complexa versus frequência para materiais de ferrite recomendados para aplicações de supressão. Infelizmente, esta informação raramente está disponível. curvas. A partir desses dados, uma comparação de materiais usados ​​para otimizar a impedância do núcleo pode ser derivada.
Referindo-se à Figura 6, a permeabilidade inicial e o fator de dissipação [4] do material Fair-Rite 73 versus frequência, assumindo que o projetista deseja garantir uma impedância máxima entre 100 e 900 kHz. Foram selecionados 73 materiais. precisa entender as partes reativas e resistivas do vetor de impedância em 100 kHz (105 Hz) e 900 kHz. Essas informações podem ser derivadas do gráfico a seguir:
Em 100kHz μs ' = μi = 2500 e (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 porque Tan δ = μs ”/ μs' então μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Deve-se notar que, como esperado, o μ” acrescenta muito pouco ao vetor de permeabilidade total nesta baixa frequência. A impedância do núcleo é principalmente indutiva.
Os projetistas sabem que o núcleo deve aceitar o fio nº 22 e caber em um espaço de 10 mm x 5 mm. O diâmetro interno será especificado como 0,8 mm. 10 mm e altura de 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 ohms a 100 kHz
Neste caso, como na maioria dos casos, a impedância máxima é alcançada usando um diâmetro externo menor com um comprimento maior. Se o diâmetro interno for maior, por exemplo, 4 mm, e vice-versa.
A mesma abordagem pode ser usada se forem fornecidos gráficos de impedância por unidade Lo e ângulo de fase versus frequência. As Figuras 9, 10 e 11 representam tais curvas para os mesmos três materiais usados ​​aqui.
Os projetistas desejam garantir a impedância máxima na faixa de frequência de 25 MHz a 100 MHz. O espaço disponível na placa é novamente de 10 mm x 5 mm e o núcleo deve aceitar o fio # 22 awg. ou Figura 8 para a permeabilidade complexa dos mesmos três materiais, selecione o material de 850 μi.[5] Usando o gráfico da Figura 9, o Z/Lo do material de permeabilidade média é 350 x 108 ohm/H a 25 MHz. Resolva a impedância estimada:
A discussão anterior pressupõe que o núcleo escolhido seja cilíndrico. Se núcleos de ferrite forem usados ​​para cabos de fita plana, cabos agrupados ou placas perfuradas, o cálculo de Lo se torna mais difícil, e o comprimento do caminho do núcleo e os números de área efetiva bastante precisos devem ser obtidos. para calcular a indutância do núcleo de ar. Isso pode ser feito cortando matematicamente o núcleo e adicionando o comprimento do caminho calculado e a área magnética para cada fatia. Em todos os casos, entretanto, o aumento ou diminuição na impedância será proporcional ao aumento ou diminuição na a altura/comprimento do núcleo de ferrite.[6]
Conforme mencionado, a maioria dos fabricantes especifica núcleos para aplicações EMI em termos de impedância, mas o usuário final geralmente precisa saber a atenuação. A relação que existe entre esses dois parâmetros é:
Essa relação depende da impedância da fonte que gera o ruído e da impedância da carga que recebe o ruído. Esses valores geralmente são números complexos, cujo alcance pode ser infinito, e não estão prontamente disponíveis para o projetista. 1 ohm para as impedâncias de carga e fonte, que pode ocorrer quando a fonte é uma fonte de alimentação comutada e carrega muitos circuitos de baixa impedância, simplifica as equações e permite a comparação da atenuação dos núcleos de ferrite.
O gráfico da Figura 12 é um conjunto de curvas que mostra a relação entre a impedância e a atenuação do cordão de blindagem para muitos valores comuns de carga mais impedância do gerador.
A Figura 13 é um circuito equivalente de uma fonte de interferência com resistência interna de Zs. O sinal de interferência é gerado pela impedância em série Zsc do núcleo supressor e pela impedância de carga ZL.
As Figuras 14 e 15 são gráficos de impedância versus temperatura para os mesmos três materiais de ferrita. O mais estável desses materiais é o material 61 com redução de 8% na impedância a 100º C e 100 MHz. % de queda na impedância na mesma frequência e temperatura. Essas curvas, quando fornecidas, podem ser usadas para ajustar a impedância da temperatura ambiente especificada se for necessária atenuação em temperaturas elevadas.
Tal como acontece com a temperatura, as correntes de alimentação CC e de 50 ou 60 Hz também afetam as mesmas propriedades inerentes da ferrita, que por sua vez resultam em menor impedância do núcleo. As Figuras 16, 17 e 18 são curvas típicas que ilustram o efeito da polarização na impedância de um material de ferrite. .Esta curva descreve a degradação da impedância em função da intensidade do campo para um determinado material em função da frequência. Deve-se notar que o efeito da polarização diminui à medida que a frequência aumenta.
Desde que esses dados foram compilados, a Fair-Rite Products introduziu dois novos materiais. Nosso 44 é um material de média permeabilidade de níquel-zinco e nosso 31 é um material de alta permeabilidade de manganês-zinco.
A Figura 19 é um gráfico de impedância versus frequência para esferas do mesmo tamanho em materiais 31, 73, 44 e 43. O material 44 é um material 43 aprimorado com maior resistividade DC, 109 ohm cm, melhores propriedades de choque térmico, estabilidade de temperatura e temperatura Curie (Tc) mais alta. O material 44 tem características de impedância versus frequência ligeiramente mais altas em comparação com nosso material 43. O material estacionário 31 exibe uma impedância mais alta do que 43 ou 44 em toda a faixa de frequência de medição. problema de ressonância dimensional que afeta o desempenho de supressão de baixa frequência de núcleos maiores de manganês-zinco e foi aplicado com sucesso a núcleos de supressão de conectores de cabos e grandes núcleos toroidais. A Figura 20 é um gráfico de impedância versus frequência para materiais 43, 31 e 73 para Fair -Núcleos Rite com 0,562″ OD, 0,250 ID e 1,125 HT. Ao comparar a Figura 19 e a Figura 20, deve-se notar que para núcleos menores, para frequências de até 25 MHz, o material 73 é o melhor material supressor. No entanto, à medida que a secção transversal do núcleo aumenta, a frequência máxima diminui. Conforme mostrado nos dados da Figura 20, 73 é o melhor. A frequência mais alta é 8 MHz. É importante notar também que o material 31 tem um bom desempenho na faixa de frequência de 8 MHz a 300 MHz. No entanto, como ferrita de manganês e zinco, o material 31 tem uma resistividade de volume muito menor, de 102 ohms-cm, e mais alterações de impedância com mudanças extremas de temperatura.
Glossário Indutância do núcleo de ar – Lo (H) A indutância que seria medida se o núcleo tivesse permeabilidade uniforme e a distribuição de fluxo permanecesse constante. Fórmula geral Lo= 4π N2 10-9 (H) Anel C1 Lo = 0,0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) As dimensões estão em mm
Atenuação – A (dB) A redução na amplitude do sinal na transmissão de um ponto a outro. É uma razão escalar entre a amplitude de entrada e a amplitude de saída, em decibéis.
Constante do núcleo – C1 (cm-1) A soma dos comprimentos do caminho magnético de cada seção do circuito magnético dividida pela região magnética correspondente da mesma seção.
Constante do núcleo – C2 (cm-3) A soma dos comprimentos do circuito magnético de cada seção do circuito magnético dividida pelo quadrado do domínio magnético correspondente da mesma seção.
As dimensões efetivas da área do caminho magnético Ae (cm2), o comprimento do caminho le (cm) e o volume Ve (cm3) Para uma determinada geometria do núcleo, assume-se que o comprimento do caminho magnético, a área da seção transversal e o volume de o núcleo toroidal tem as mesmas propriedades do material que O material deve ter propriedades magnéticas equivalentes às do núcleo fornecido.
Intensidade do campo – H (Oersted) Um parâmetro que caracteriza a magnitude da intensidade do campo. H = 0,4 π NI/le (Oersted)
Densidade de Fluxo – B (Gaussiana) O parâmetro correspondente do campo magnético induzido na região normal ao caminho do fluxo.
Impedância – Z (ohm) A impedância de uma ferrita pode ser expressa em termos de sua permeabilidade complexa. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Tangente de Perda – tan δ A tangente de perda de uma ferrita é igual ao inverso do circuito Q.
Fator de Perda – tan δ/μi Remoção de fase entre componentes fundamentais da densidade do fluxo magnético e intensidade do campo com permeabilidade inicial.
Permeabilidade Magnética – μ A permeabilidade magnética derivada da razão entre a densidade do fluxo magnético e a intensidade do campo alternado aplicado é…
Permeabilidade de amplitude, μa – quando o valor especificado de densidade de fluxo é maior que o valor usado para permeabilidade inicial.
Permeabilidade Efetiva, μe – Quando a rota magnética é construída com um ou mais entreferros, a permeabilidade é a permeabilidade de um material hipotético homogêneo que proporcionaria a mesma relutância.
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