Entendiendo el dispositivo de supresión de EMI "Ferrita"
Acerca de la ferrita
La ferrita es un material que contiene óxido de hierro y una cierta cantidad de níquel, zinc, manganeso y otros elementos, que tiene las características de alta permeabilidad y baja intensidad de inducción de saturación magnética; Cuando los dispositivos inductivos no se pueden usar para altas frecuencias, se pueden usar perlas de ferrita o anillos magnéticos, y los dispositivos y aplicaciones de ferrita se muestran en la figura a continuación.
Las perlas de ferrita se utilizan normalmente a altas frecuencias, donde son reactivas y dependientes de la frecuencia. A baja frecuencia, la inductancia es pequeña y la pérdida de línea es pequeña; Las perlas de ferrita son atenuadores de alta frecuencia de la energía de RF.
Estos dispositivos de ferrita son filtros de absorción y constan de componentes disipativos. En la banda de parada, el dispositivo con pérdidas absorbe la energía de la perturbación electromagnética y la convierte en pérdida de calor, actuando así como un filtro. El material de ferrita es un dispositivo consumible ampliamente utilizado que se puede usar para formar un filtro de paso bajo.
La ferrita es un material ferromagnético con una estructura de celosía cúbica. Su proceso de fabricación y propiedades mecánicas son similares a las de la cerámica, y el color es gris negro, por lo que también se le conoce como porcelana magnética negra. La estructura molecular de la ferrita es MO· Fe2O3, donde MO es un óxido metálico, generalmente MnO o ZnO. Además, de acuerdo con los diferentes rangos de frecuencia aplicables, las ferritas se dividen en banda de frecuencia media de 20 ~ 150 KHz, banda de frecuencia media y alta de 100 ~ 500 KHz y banda de frecuencia ultra alta de 500 ~ 1000 KHz.
En segundo lugar, las características de la ferrita
Aunque la impedancia del inductor formado por el cable que pasa a través del núcleo de ferrita aumenta con la frecuencia, el mecanismo es completamente diferente a diferentes frecuencias.
Como se muestra en la siguiente figura, la impedancia de una ferrita consiste en su resistencia R y su inductancia X.
En la banda de baja frecuencia, la impedancia está formada por la reactancia inductiva de la inductancia. En este momento, la permeabilidad del núcleo es alta, la inductancia es grande, la pérdida del núcleo es pequeña y todo el dispositivo es un inductor con baja pérdida y altas características Q, lo cual es fácil de causar resonancia. Por lo tanto, en la banda de baja frecuencia, a veces hay un aumento de la interferencia.
En la banda de alta frecuencia, la impedancia está formada por componentes resistivos. A medida que aumenta la frecuencia, la permeabilidad del núcleo disminuye, la inductancia del inductor disminuye y el componente de reactancia disminuye. Sin embargo, en este momento, la pérdida del núcleo aumenta y el componente de resistencia aumenta, lo que resulta en un aumento en la impedancia total.
Cuando una señal de alta frecuencia pasa a través de la ferrita, la energía electromagnética se disipa en forma de calor.
El circuito equivalente de ferrita es diferente a bajas y altas frecuencias
Es un inductor a bajas frecuencias y una resistencia que varía con la frecuencia a altas frecuencias.
Hay una diferencia esencial entre un inductor y una resistencia, el inductor en sí no consume energía, sino que solo almacena energía.
Como resultado, el inductor y el condensador en el circuito forman un circuito resonante, aumentando la interferencia a ciertas frecuencias. Las resistencias disipan energía, lo que a su vez reduce sustancialmente la interferencia.
Cuando una corriente eléctrica fluye a través del cable de la ferrita, se genera un campo magnético en el núcleo de ferrita, y cuando la fuerza del campo magnético supera un cierto valor, el núcleo se satura, la permeabilidad disminuye bruscamente y la inductancia disminuye. Por lo tanto, cuando una gran corriente fluye a través del filtro, la pérdida de inserción de baja frecuencia del filtro cambia. A altas frecuencias, la permeabilidad del núcleo ya es baja, y a altas frecuencias, las características de pérdida del núcleo principal funcionan, y la corriente tiene poco efecto en las características de alta frecuencia del filtro.
De hecho, las perlas de ferrita se explican mejor por la conexión paralela de inductancia y resistencia. A bajas frecuencias, el inductor cortocircuita la resistencia; A altas frecuencias, la reactancia inductiva es tan alta que la corriente solo puede fluir a través de la resistencia. Los materiales de ferrita con diferente permeabilidad se seleccionan de acuerdo con la frecuencia de supresión de interferencias. Cuanto mayor sea la permeabilidad del material de ferrita, mayor será la impedancia de baja frecuencia y menor será la impedancia de alta frecuencia.
Además, los materiales de ferrita con alta permeabilidad generalmente tienen una constante dieléctrica más alta, y cuando el conductor pasa, la capacitancia parásita formada es mayor, lo que también reduce la impedancia de alta frecuencia.
3. Aplicación de ferrita
Las diferentes aplicaciones tienen diferentes requisitos para las propiedades del material de ferrita y la forma del núcleo de ferrita.
La aplicación de la ferrita se da principalmente en los siguientes tres aspectos.
Aplicaciones de señales de bajo nivel: Las propiedades del material de ferrita requerido están determinadas por la permeabilidad, que requiere no solo bajas pérdidas en el núcleo de ferrita, sino también una buena estabilidad magnética, es decir, que no cambia mucho con el tiempo y la temperatura. Las aplicaciones de ferrita en esta área incluyen inductores de alta Q, inductores de modo común y banda ancha, transformadores de pulsos emparejados, antenas receptoras de radio y antenas activas y pasivas.
Conversión de energía y filtrado: se requiere que los materiales de ferrita tengan una alta densidad de flujo magnético y una baja pérdida a la frecuencia y temperatura de funcionamiento. Las aplicaciones en esta área incluyen fuentes de alimentación conmutadas, amplificadores magnéticos, convertidores CC-CC, filtros de líneas de alimentación, bobinas de disparo y transformadores para fuentes de alimentación conmutadas.
Supresión de perturbaciones electromagnéticas: La mayor influencia en el rendimiento de la ferrita es la permeabilidad del material de ferrita, que es directamente proporcional a la impedancia del núcleo de ferrita.
Las ferritas generalmente suprimen la conducción no deseada o las señales radiadas de 3 maneras.
En primer lugar, la aplicación más común es el uso de núcleos de ferrita directamente en los cables de los componentes o circuitos a nivel de placa. En esta aplicación, el núcleo de ferrita suprime cualquier oscilación parásita, inducción de atenuación y señales no deseadas de alta frecuencia transmitidas o conectadas a los cables de los componentes.
En segundo lugar, la ferrita se utiliza como inductor para formar un filtro de paso bajo, que proporciona rutas inductivas y capacitivas a bajas frecuencias y grandes pérdidas a frecuencias más altas.
Finalmente, las aplicaciones menos utilizadas son el uso de ferrita como un escudo real para aislar conductores, componentes o circuitos de campos electromagnéticos dispersos en el medio ambiente.
En las dos primeras aplicaciones, el núcleo de ferrita suprime la perturbación conducida al eliminar o atenuar en gran medida las corrientes de alta frecuencia de la fuente de perturbación electromagnética.
Las ferritas se utilizan para proporcionar una impedancia de alta frecuencia lo suficientemente alta como para reducir las corrientes de alta frecuencia. Teóricamente, una ferrita ideal proporcionaría alta impedancia en la banda de alta frecuencia y cero impedancia en todas las demás bandas de frecuencia. Pero de hecho, la impedancia del núcleo de ferrita depende de la frecuencia, cuando la frecuencia es inferior a 1 MHz, su impedancia es la más baja, para diferentes materiales de ferrita, la impedancia más alta aparece entre 10 ~ 500 MHz.