Produkte zur Rauschunterdrückung / EMI-Entstörfilter / ESD-Schutzvorrichtungen
Leitfaden für Rauschunterdrückungsfilter
Grundlagen der Störungsbekämpfung [Lektion 8] Ferritkerne
<Geräuschdämpfende Teile, die ohne Änderung der Platine verwendet werden können>
In der Vergangenheit haben wir bereits Teile zur Lärmbekämpfung vorgestellt, die auf einer Platine als Teil der elektronischen Schaltung montiert sind. Dieses Mal stellen wir Teile zur Rauschunterdrückung vor, die nicht auf einer Platine montiert werden müssen. (Obwohl sie manchmal auf der Platine befestigt sind...)
Wie bereits erwähnt, muss bei der Vermarktung eines elektronischen Geräts geprüft werden, ob das von dem Gerät ausgehende Rauschen den EMI-Vorschriften entspricht. Diese abschließende Prüfung kann jedoch erst nach Abschluss des Geräteentwurfs durchgeführt werden. In jüngster Zeit gibt es immer mehr Erfahrungen mit Entwürfen, die kein Rauschen erzeugen, und es werden im Vorfeld verschiedene Maßnahmen ergriffen, um die Entstehung von Rauschen zu verhindern, aber die Auswirkungen können natürlich erst bei der endgültigen Prüfung festgestellt werden. Solange der Geräuschpegel innerhalb des zu diesem Zeitpunkt erwarteten Grenzwertes liegt, ist das kein Problem, aber manchmal überschreiten die Testergebnisse den Grenzwert. Wenn der Liefertermin näher rückt, bleibt keine Zeit mehr, die Platine auszutauschen. Daher sind Teile wie Ferritkerne, die Gegenmaßnahmen ermöglichen, ohne die Platine auszutauschen, sehr nützlich.
<Ferritkerne sind Klumpen aus Ferrit>
Ferritkerne sind keramische Magnetkörper, die aus Ferriten (Weichferriten) bestehen und in verschiedenen Formen verarbeitet werden. Früher wurden Spulen oft durch das Umwickeln eines ringförmigen Ferritkerns mit leitenden Drähten hergestellt, so dass Ferrit, das zur Rauschunterdrückung verwendet wird, ebenfalls als Ferritkern bezeichnet wird.
Zu den Ferriten gehören je nach Zusammensetzung Mn-Zn-Ferrit und Ni-Zn-Ferrit. Mn-Zn-Ferrit ist leitfähig und erfordert daher Isolierarbeiten, während Ni-Zn-Ferrit bessere Hochfrequenzeigenschaften aufweist. Aus diesen und anderen Gründen wird Ni-Zn-Ferrit häufig zur Rauschunterdrückung eingesetzt.
<Prinzip der Rauschunterdrückung durch Ferritkerne>
Ferritkerne gibt es in verschiedenen Formen, die meisten sind jedoch ringförmig. Wenn man leitende Drähte durch das Loch des Rings führt, bilden die leitenden Drähte und der Ferritkern eine Spule (Induktor). Diese Spule (Induktor) basiert auf demselben Prinzip wie eine Induktionsspule in einem elektronischen Bauteil, so dass die Impedanz mit der Frequenz zunimmt, wie in Abbildung 1 dargestellt. Daher funktioniert die Spule als Tiefpassfilter, der hochfrequente Ströme blockiert und so die Dämpfung hochfrequenter Störungen ermöglicht. Darüber hinaus hat die Verwendung eines Ferritkerns noch einen weiteren Effekt. Wenn Strom in eine Spule mit Ferritkern fließt, wird im Ferritkern ein magnetischer Fluss erzeugt, und die Stromenergie wird in magnetische Energie umgewandelt. Ändert sich jedoch der Strom, wird dieser magnetische Fluss durch elektromagnetische Induktion wieder in Strom umgewandelt. Zu diesem Zeitpunkt wird nicht die gesamte Energie des magnetischen Flusses in Stromenergie zurückverwandelt, sondern ein Teil geht als magnetischer Verlust verloren. (Dies wird als "Hystereseverlust" bezeichnet.) Infolgedessen geht ein Teil des Rauschstroms, der durch die leitenden Drähte fließt, als magnetischer Verlust verloren, wodurch die Energie verringert wird. Die rechte Seite von Abbildung 1 zeigt die Impedanzcharakteristik einer Spule mit Leiterdrähten, die durch einen Ferritkern geführt werden. Die Impedanz einer normalen Spule besteht größtenteils aus der Reaktanzkomponente (X), aber wenn ein Ferritkern verwendet wird, wird die Widerstandskomponente (R) extrem groß. Dies ist das Ergebnis der Auswahl von Ferritmaterialien, die für die Rauschunterdrückung geeignet sind, und führt dazu, dass der Rauschenergieverbrauchseffekt aufgrund des magnetischen Verlusts einen größeren Anteil an der Rauschunterdrückungswirkung des Ferritkerns ausmacht als der Strombegrenzungseffekt der hohen Impedanz.
<Spezifikationen und Leistung von Ferritkernen>
Die Rauschunterdrückungsleistung von Ferritkernen variiert je nach Ferritmaterial und -form; die magnetische Permeabilität ändert sich je nach Ferritmaterial, so dass auch die Impedanz unterschiedlich ist. Auch das Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente und der Reaktanzkomponente der Impedanz ist je nach Material unterschiedlich. Die Materialien der Ferritkerne, die als Rauschschutz verkauft werden, werden jedoch speziell für den Rauschschutz gemischt, so dass es keine großen Unterschiede in den Eigenschaften gibt, unabhängig vom gewählten Material.
Die Induktivität steigt (proportional zum Quadrat der Anzahl der Windungen) mit der Anzahl der Durchläufe des Leitungsdrahtes durch den Ringkern (Anzahl der Windungen). Wenn der Leiterdraht jedoch um den Kern gewickelt ist, liegen der Wicklungsanfang (Eingang) und das Wicklungsende (Ausgang) nahe beieinander und haben eine schwebende Kapazität zwischen ihnen. Hochfrequenzrauschen wird über diesen Bereich mit schwebender Kapazität übertragen, was die Hochfrequenzleistung beeinträchtigt. Daher muss unter Berücksichtigung der Zielfrequenzen für die Geräuschreduzierung die Anzahl der Wicklungen entweder erhöht werden, um den Niederfrequenzbereich zu erreichen, oder reduziert werden, um den Hochfrequenzbereich zu erreichen.
Darüber hinaus beeinflussen die Abmessungen des Ferritkerns die Leistung, wie in Abbildung 4 dargestellt. Daher sollte ein Ringkern mit dem kleinstmöglichen Innendurchmesser und der größtmöglichen Querschnittsfläche gewählt werden.
<Verwendung eines Ferritkerns als Gleichtaktdrosselspule>
Aufgrund ihrer Zweckmäßigkeit werden Ferritkerne häufig in Kabeln verwendet. Zu diesen Kabeln gehören jedoch Schnittstellenkabel, Stromkabel und andere mehrfach leitende Drähte, die parallel verlaufen, so dass Gleichtaktstörungen häufig ein Problem darstellen. Gleichtaktdrosselspulen sind in diesen Fällen eine wirksame Maßnahme gegen das Rauschen, und die Funktion der Gleichtaktdrosselspule kann erreicht werden, indem die Kabel gemeinsam durch einen einzigen Ferritkern geführt werden. Bei einem Schnittstellenkabel mit mehreren Signalleitungen an einem Ende ist es beispielsweise schwierig, Gleichtaktdrosselspulen zu verdrahten. Gleichtaktdrosselspulenfunktionen können jedoch leicht erreicht werden, indem alle Schnittstellenkabeldrähte gemeinsam durch einen Ferritkern geführt werden.
<verschiedene Ferritkernformen>
Bisher haben wir ringförmige Ferritkerne vorgestellt, aber auch verschiedene andere Formen von Ferritkernen sind bereits auf dem Markt. Dazu gehören Kerne mit breiten und dünnen Formen, die den Formen von Flachkabeln und flexiblen gedruckten Schaltungen (FPC) entsprechen, sowie geteilte Kerne, die um Kabel herum montiert werden, um die Arbeit des Durchführens der Kabel durch die Kerne zu eliminieren. Darüber hinaus gibt es auch einfache plattenförmige Kerne, die keine Ringe sind. Diese plattenförmigen Kerne werden über ICs und anderen Stellen angebracht, die elektromagnetische Wellen aussenden, und zielen auf die Absorption von Funkwellen ab, indem sie die elektromagnetischen Wellen, die durch den plattenförmigen Kern laufen, durch den magnetischen Verlust des Ferrits abschwächen.
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