Tin tức

Trong thế giới lý tưởng của chúng ta, an toàn, chất lượng và hiệu suất là điều tối quan trọng. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, chi phí của thành phần cuối cùng, bao gồm cả ferit, đã trở thành yếu tố quyết định. Bài viết này nhằm giúp các kỹ sư thiết kế tìm ra vật liệu ferit thay thế để giảm thiểu trị giá.
Các đặc tính nội tại mong muốn của vật liệu và hình dạng lõi được xác định theo từng ứng dụng cụ thể. Các đặc tính cố hữu chi phối hiệu suất trong các ứng dụng mức tín hiệu thấp là độ thấm (đặc biệt là nhiệt độ), tổn thất lõi thấp và độ ổn định từ tính tốt theo thời gian và nhiệt độ. Các ứng dụng bao gồm Q cao cuộn cảm, cuộn cảm chế độ chung, máy biến áp xung và băng thông rộng, các phần tử ăng-ten vô tuyến và bộ lặp chủ động và thụ động. Đối với các ứng dụng nguồn, mật độ từ thông cao và tổn hao thấp ở tần số hoạt động và nhiệt độ là những đặc điểm mong muốn. Các ứng dụng bao gồm nguồn cấp điện ở chế độ chuyển mạch cho sạc ắc quy xe điện, bộ khuếch đại từ tính, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ lọc nguồn, cuộn dây đánh lửa và máy biến áp.
Thuộc tính nội tại có tác động lớn nhất đến hiệu suất ferrite mềm trong các ứng dụng triệt tiêu là độ thấm phức tạp [1], tỷ lệ thuận với trở kháng của lõi. Có ba cách để sử dụng ferrite làm chất triệt tiêu các tín hiệu không mong muốn (được dẫn hoặc bức xạ). ).Đầu tiên, và ít phổ biến nhất, là một tấm chắn thực tế, trong đó ferrite được sử dụng để cách ly các dây dẫn, linh kiện hoặc mạch điện khỏi môi trường trường điện từ tản lạc bức xạ. Trong ứng dụng thứ hai, ferrite được sử dụng với các phần tử điện dung để tạo ra đường truyền thấp bộ lọc, tức là điện cảm – điện dung ở tần số thấp và tiêu tán ở tần số cao. Cách sử dụng thứ ba và phổ biến nhất là khi lõi ferrite được sử dụng một mình cho các dây dẫn thành phần hoặc mạch cấp bảng mạch. Trong ứng dụng này, lõi ferrite ngăn chặn mọi dao động ký sinh và/ hoặc làm giảm khả năng thu hoặc truyền tín hiệu không mong muốn có thể truyền dọc theo các dây dẫn thành phần hoặc các kết nối, đường dây hoặc cáp. Trong ứng dụng thứ hai và thứ ba, lõi ferit triệt tiêu EMI dẫn điện bằng cách loại bỏ hoặc giảm đáng kể dòng điện tần số cao do các nguồn EMI tạo ra. Sự ra đời của ferrite mang lại trở kháng tần số đủ cao để triệt tiêu dòng điện tần số cao. Về lý thuyết, một ferrite lý tưởng sẽ cung cấp trở kháng cao ở tần số EMI và trở kháng bằng 0 ở tất cả các tần số khác. Trên thực tế, lõi triệt tiêu ferrite cung cấp trở kháng phụ thuộc vào tần số. Ở tần số dưới 1 MHz, trở kháng tối đa có thể đạt được trong khoảng từ 10 MHz đến 500 MHz tùy thuộc vào vật liệu ferrite.
Vì nó phù hợp với các nguyên tắc kỹ thuật điện, trong đó điện áp và dòng điện xoay chiều được biểu thị bằng các tham số phức tạp, nên độ thấm của vật liệu có thể được biểu thị dưới dạng tham số phức tạp bao gồm phần thực và phần ảo. Điều này được thể hiện ở tần số cao, trong đó tính thấm chia thành hai thành phần. Phần thực (μ') đại diện cho phần phản ứng, cùng pha với từ trường xen kẽ [2], trong khi phần ảo (μ”) đại diện cho tổn thất, lệch pha với từ trường xoay chiều.Chúng có thể được biểu diễn dưới dạng các thành phần nối tiếp (μs'μs") hoặc thành phần song song (µp'µp").Các biểu đồ trong Hình 1, 2 và 3 hiển thị các thành phần chuỗi của độ thấm ban đầu phức tạp dưới dạng hàm tần số của ba vật liệu ferit.Loại vật liệu 73 là ferrite mangan-kẽm, độ dẫn từ ban đầu là 2500. Loại vật liệu 43 là ferrite kẽm niken có độ thấm ban đầu là 850. Loại vật liệu 61 là ferrite kẽm niken có độ thấm ban đầu là 125.
Tập trung vào thành phần nối tiếp của vật liệu Loại 61 trong Hình 3, chúng ta thấy rằng phần thực của độ thấm, μs', không đổi khi tần số tăng dần cho đến khi đạt đến tần số tới hạn, sau đó giảm nhanh chóng. Tổn thất hoặc μs” tăng lên và sau đó đạt cực đại khi μs' rơi xuống.Sự giảm μs' này là do sự bắt đầu của cộng hưởng sắt từ.[3] Cần lưu ý rằng độ thấm càng cao thì tần số càng thấp.Mối quan hệ nghịch đảo này lần đầu tiên được Snoek quan sát và đưa ra công thức sau:
trong đó: ƒres = μs” tần số tối đa γ = tỷ số hồi chuyển = 0,22 x 106 A-1 m μi = độ thấm ban đầu Msat = 250-350 Am-1
Do lõi ferrite được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng và mức tín hiệu thấp tập trung vào các thông số từ tính dưới tần số này nên các nhà sản xuất ferrite hiếm khi công bố dữ liệu về độ thấm và/hoặc tổn thất ở tần số cao hơn. Tuy nhiên, dữ liệu tần số cao hơn là cần thiết khi chỉ định lõi ferit để triệt tiêu EMI.
Đặc tính mà hầu hết các nhà sản xuất ferrite chỉ định cho các thành phần được sử dụng để triệt tiêu EMI là trở kháng. Trở kháng có thể dễ dàng đo được trên máy phân tích bán sẵn trên thị trường với kết quả đọc kỹ thuật số trực tiếp. Thật không may, trở kháng thường được chỉ định ở một tần số cụ thể và là đại lượng vô hướng biểu thị độ lớn của phức hợp. vectơ trở kháng. Mặc dù thông tin này có giá trị nhưng nó thường không đủ, đặc biệt là khi mô hình hóa hiệu suất mạch của ferrite. Để đạt được điều này, phải có sẵn giá trị trở kháng và góc pha của thành phần hoặc độ thấm phức tạp của vật liệu cụ thể.
Nhưng ngay cả trước khi bắt đầu lập mô hình hoạt động của các thành phần ferit trong mạch điện, các nhà thiết kế nên biết những điều sau:
trong đó μ'= phần thực của độ thấm phức μ”= phần ảo của độ thấm phức j = vectơ ảo của đơn vị Lo= độ tự cảm lõi không khí
Trở kháng của lõi sắt cũng được coi là sự kết hợp nối tiếp của điện kháng cảm ứng (XL) và điện trở tổn thất (Rs), cả hai đều phụ thuộc vào tần số. Lõi không tổn hao sẽ có trở kháng do điện kháng xác định:
trong đó: Rs = tổng điện trở nối tiếp = Rm + Re Rm = điện trở nối tiếp tương đương do tổn thất từ ​​tính Re = điện trở nối tiếp tương đương đối với tổn hao đồng
Ở tần số thấp, trở kháng của thành phần chủ yếu là cảm ứng. Khi tần số tăng, độ tự cảm giảm trong khi tổn thất tăng và tổng trở kháng tăng. Hình 4 là biểu đồ điển hình của XL, Rs và Z so với tần số đối với các vật liệu có độ thấm trung bình của chúng tôi .
Khi đó điện kháng cảm ứng tỉ lệ với phần thực của độ thấm phức, bởi Lo, độ tự cảm của lõi không khí:
Điện trở tổn thất cũng tỷ lệ thuận với phần ảo của độ thấm phức với cùng một hằng số:
Trong phương trình 9, vật liệu lõi được cho bởi µs' và µs”, và hình dạng lõi được cho bởi Lo. Do đó, sau khi biết tính thấm phức tạp của các ferit khác nhau, có thể thực hiện so sánh để thu được vật liệu phù hợp nhất ở mức mong muốn. tần số hoặc dải tần số. Sau khi chọn vật liệu tốt nhất, đã đến lúc chọn các thành phần có kích thước tốt nhất. Biểu diễn vectơ của độ thấm và trở kháng phức tạp được hiển thị trong Hình 5.
Việc so sánh hình dạng lõi và vật liệu lõi để tối ưu hóa trở kháng sẽ dễ dàng nếu nhà sản xuất cung cấp biểu đồ về độ thấm phức tạp theo tần số đối với vật liệu ferit được khuyến nghị cho các ứng dụng triệt tiêu. Thật không may, thông tin này hiếm khi có sẵn. Tuy nhiên, hầu hết các nhà sản xuất đều cung cấp độ thấm và suy hao ban đầu theo tần số đường cong. Từ dữ liệu này, có thể rút ra sự so sánh các vật liệu được sử dụng để tối ưu hóa trở kháng lõi.
Tham khảo Hình 6, hệ số thấm và tiêu tán ban đầu [4] của vật liệu Fair-Rite 73 so với tần số, giả sử nhà thiết kế muốn đảm bảo trở kháng tối đa trong khoảng 100 đến 900 kHz.73 vật liệu đã được chọn. Vì mục đích lập mô hình, nhà thiết kế cũng cần hiểu phần phản kháng và phần điện trở của vectơ trở kháng ở 100 kHz (105 Hz) và 900 kHz. Thông tin này có thể được lấy từ biểu đồ sau:
Ở 100kHz μs ' = μi = 2500 và (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 vì Tan δ = μs ”/ μs' thì μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43,8
Cần lưu ý rằng, như mong đợi, μ” bổ sung rất ít vào tổng vectơ độ thấm ở tần số thấp này.Trở kháng của lõi chủ yếu là cảm ứng.
Các nhà thiết kế biết rằng lõi phải chấp nhận dây số 22 và vừa với không gian 10 mm x 5 mm. Đường kính trong sẽ được chỉ định là 0,8 mm. Để giải quyết trở kháng ước tính và các thành phần của nó, trước tiên hãy chọn một hạt có đường kính ngoài là 10 mm và chiều cao 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 ohm ở 100 kHz
Trong trường hợp này, như trong hầu hết các trường hợp, trở kháng tối đa đạt được bằng cách sử dụng OD nhỏ hơn với chiều dài dài hơn. Nếu ID lớn hơn, ví dụ: 4 mm và ngược lại.
Có thể sử dụng phương pháp tương tự nếu cung cấp đồ thị trở kháng trên đơn vị Lo và góc pha so với tần số. Các hình 9, 10 và 11 thể hiện các đường cong như vậy cho cùng ba vật liệu được sử dụng ở đây.
Các nhà thiết kế muốn đảm bảo trở kháng tối đa trên dải tần số 25 MHz đến 100 MHz. Không gian bo mạch khả dụng lại là 10 mm x 5 mm và lõi phải chấp nhận dây awg #22. Tham khảo Hình 7 để biết trở kháng đơn vị Lo của ba vật liệu ferit, hoặc Hình 8 để biết độ thấm phức tạp của ba vật liệu giống nhau, chọn vật liệu 850 μi.[5]Sử dụng đồ thị trên Hình 9, Z/Lo của vật liệu có độ thấm trung bình là 350 x 108 ohm/H ở 25 MHz. Giải trở kháng ước tính:
Cuộc thảo luận trước giả định rằng lõi được lựa chọn là hình trụ. Nếu lõi ferrite được sử dụng cho cáp ruy băng phẳng, cáp bó hoặc tấm đục lỗ thì việc tính toán Lo trở nên khó khăn hơn và phải thu được số liệu về chiều dài đường dẫn lõi và diện tích hiệu dụng khá chính xác. để tính toán độ tự cảm lõi không khí. Điều này có thể được thực hiện bằng cách cắt lõi một cách toán học và cộng chiều dài đường dẫn và diện tích từ tính được tính toán cho mỗi lát cắt. Tuy nhiên, trong mọi trường hợp, việc tăng hoặc giảm trở kháng sẽ tỷ lệ thuận với mức tăng hoặc giảm trong chiều cao/chiều dài của lõi ferit.[6]
Như đã đề cập, hầu hết các nhà sản xuất đều chỉ định lõi cho các ứng dụng EMI về mặt trở kháng, nhưng người dùng cuối thường cần biết mức suy giảm. Mối quan hệ tồn tại giữa hai tham số này là:
Mối quan hệ này phụ thuộc vào trở kháng của nguồn tạo ra tiếng ồn và trở kháng của tải nhận tiếng ồn. Các giá trị này thường là số phức, phạm vi của chúng có thể là vô hạn và người thiết kế không có sẵn. Chọn giá trị của 1 ohm đối với trở kháng tải và nguồn, có thể xảy ra khi nguồn là nguồn điện ở chế độ chuyển mạch và tải nhiều mạch có trở kháng thấp, giúp đơn giản hóa các phương trình và cho phép so sánh độ suy giảm của lõi ferit.
Biểu đồ trong Hình 12 là tập hợp các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa trở kháng hạt chắn và độ suy giảm đối với nhiều giá trị chung của tải cộng với trở kháng máy phát.
Hình 13 là mạch tương đương của nguồn nhiễu có điện trở trong là Zs.Tín hiệu nhiễu được tạo ra bởi trở kháng nối tiếp Zsc của lõi triệt tiêu và trở kháng tải ZL.
Hình 14 và 15 là đồ thị của trở kháng so với nhiệt độ của ba vật liệu ferit giống nhau. Vật liệu ổn định nhất trong số này là vật liệu 61 với trở kháng giảm 8% ở 100° C và 100 MHz. Ngược lại, vật liệu 43 cho thấy 25 % giảm trở kháng ở cùng tần số và nhiệt độ. Những đường cong này, khi được cung cấp, có thể được sử dụng để điều chỉnh trở kháng nhiệt độ phòng được chỉ định nếu cần suy giảm ở nhiệt độ cao.
Giống như nhiệt độ, dòng điện cung cấp DC và 50 hoặc 60 Hz cũng ảnh hưởng đến các đặc tính ferit vốn có tương tự, do đó dẫn đến trở kháng lõi thấp hơn. Hình 16, 17 và 18 là các đường cong điển hình minh họa ảnh hưởng của độ lệch lên trở kháng của vật liệu ferit Đường cong này mô tả sự suy giảm trở kháng là một hàm của cường độ trường đối với một vật liệu cụ thể là một hàm của tần số. Cần lưu ý rằng ảnh hưởng của độ lệch giảm đi khi tần số tăng.
Kể từ khi dữ liệu này được tổng hợp, Fair-Rite Products đã giới thiệu hai vật liệu mới. Vật liệu 44 của chúng tôi là vật liệu có độ thấm trung bình niken-kẽm và vật liệu 31 của chúng tôi là vật liệu có độ thấm cao mangan-kẽm.
Hình 19 là biểu đồ trở kháng so với tần số của các hạt có cùng kích thước trong vật liệu 31, 73, 44 và 43. Vật liệu 44 là vật liệu 43 cải tiến có điện trở suất DC cao hơn, 109 ohm cm, đặc tính sốc nhiệt tốt hơn, ổn định nhiệt độ và nhiệt độ Curie (Tc) cao hơn. Vật liệu 44 có trở kháng so với đặc tính tần số cao hơn một chút so với vật liệu 43 của chúng tôi. Vật liệu cố định 31 thể hiện trở kháng cao hơn 43 hoặc 44 trên toàn bộ dải tần số đo. Vật liệu 31 được thiết kế để giảm bớt vấn đề cộng hưởng chiều ảnh hưởng đến hiệu suất triệt tiêu tần số thấp của lõi mangan-kẽm lớn hơn và đã được áp dụng thành công cho lõi triệt tiêu đầu nối cáp và lõi hình xuyến lớn. Hình 20 là biểu đồ trở kháng so với tần số của vật liệu 43, 31 và 73 cho Fair -Lõi nghi thức có 0,562 inch OD, 0,250 ID và 1,125 HT.Khi so sánh Hình 19 và Hình 20, cần lưu ý rằng đối với các lõi nhỏ hơn, đối với tần số lên tới 25 MHz thì vật liệu 73 là vật liệu triệt tiêu tốt nhất.Tuy nhiên, khi tiết diện lõi tăng thì tần số tối đa sẽ giảm.Như thể hiện trong dữ liệu trong Hình 20, 73 là tốt nhất. Tần số cao nhất là 8 MHz.Điều đáng chú ý là vật liệu 31 hoạt động tốt ở dải tần từ 8 MHz đến 300 MHz.Tuy nhiên, là ferrite kẽm mangan, vật liệu 31 có điện trở suất thấp hơn nhiều là 102 ohms -cm và trở kháng thay đổi nhiều hơn khi nhiệt độ thay đổi quá mức.
Bảng chú giải Độ tự cảm lõi không khí – Lo (H) Độ tự cảm sẽ được đo nếu lõi có độ thấm đồng đều và phân bố từ thông không đổi. Công thức chung Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Vòng Lo = 0,0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) Kích thước tính bằng mm
Sự suy giảm – A (dB) Sự giảm biên độ tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác. Đó là tỷ lệ vô hướng giữa biên độ đầu vào và biên độ đầu ra, tính bằng decibel.
Hằng số lõi – C1 (cm-1) Tổng chiều dài đường từ của từng phần của mạch từ chia cho vùng từ tương ứng của cùng một phần.
Hằng số lõi – C2 (cm-3) Tổng chiều dài mạch từ của từng phần của mạch từ chia cho bình phương miền từ tương ứng của cùng phần đó.
Kích thước hiệu dụng của diện tích đường đi từ Ae (cm2), chiều dài đường đi le (cm) và thể tích Ve (cm3) Đối với một hình dạng lõi nhất định, giả sử rằng chiều dài đường đi từ, diện tích mặt cắt ngang và thể tích của lõi hình xuyến có các tính chất vật liệu giống như vật liệu phải có tính chất từ ​​tương đương với lõi đã cho.
Cường độ trường – H (Oersted) Một tham số đặc trưng cho cường độ trường.H = .4 π NI/le (Oersted)
Mật độ từ thông – B (Gaussian) Tham số tương ứng của từ trường cảm ứng trong vùng vuông góc với đường từ thông.
Trở kháng – Z (ohm) Trở kháng của ferrite có thể được biểu thị bằng độ thấm phức tạp của nó.Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Tiếp tuyến tổn thất – ​​tan δ Tiếp tuyến tổn thất của ferrite bằng nghịch đảo của mạch Q.
Hệ số tổn hao – tan δ/μi Loại bỏ pha giữa các thành phần cơ bản của mật độ từ thông và cường độ trường với độ thấm ban đầu.
Độ thấm từ – μ Độ thấm từ có nguồn gốc từ tỷ lệ giữa mật độ từ thông và cường độ trường xen kẽ được áp dụng là…
Độ thấm biên độ, μa - khi giá trị quy định của mật độ từ thông lớn hơn giá trị được sử dụng cho độ thấm ban đầu.
Độ thấm hiệu dụng, μe – Khi tuyến từ được xây dựng với một hoặc nhiều khe hở không khí, độ thấm là độ thấm của một vật liệu đồng nhất giả định sẽ cung cấp cùng một từ trở.
In Tuân thủ là nguồn tin tức, thông tin, giáo dục và nguồn cảm hứng hàng đầu dành cho các chuyên gia kỹ thuật điện và điện tử.
Hàng không vũ trụ Ô tô Truyền thông Điện tử tiêu dùng Giáo dục Năng lượng và Điện Công nghệ thông tin Y tế Quân đội và Quốc phòng