Produits de suppression du bruit / Filtres de suppression des interférences électromagnétiques (EMI) / Dispositifs de protection contre les décharges électrostatiques (ESD)
Guide des filtres anti-bruit
Les bases de la lutte contre le bruit [Leçon 8] Les noyaux de ferrite
<Composants de protection contre le bruit pouvant être utilisés sans modifier la carte>
Nous avions précédemment présenté des composants de protection contre le bruit montés sur une carte dans le cadre d'un circuit électronique. Nous allons cette fois-ci vous présenter des composants de protection contre le bruit qui ne nécessitent pas de montage sur une carte. (Même s'ils sont parfois fixés à la carte...)
Comme nous l’avons déjà mentionné, lors de la commercialisation d’un appareil électronique, il est nécessaire de vérifier que le bruit émis par celui-ci respecte les réglementations en matière de compatibilité électromagnétique (CEM). Cependant, la vérification finale ne peut être effectuée qu’une fois la conception de l’appareil achevée. Récemment, l’expérience en matière de conceptions ne générant pas de bruit s’est enrichie, et diverses mesures sont mises en œuvre en amont pour prévenir la génération de bruit, mais bien sûr, les effets ne peuvent être connus qu’au moment du test final. Il n’y a pas de problème tant que le niveau de bruit reste, comme prévu à ce stade, dans les limites réglementaires, mais il arrive parfois que les résultats des tests dépassent ces limites. Lorsque la date de livraison approche, il n’y a plus le temps de modifier le circuit imprimé ; c’est là que des composants tels que les noyaux de ferrite, qui permettent de mettre en place des contre-mesures sans modifier le circuit imprimé, s’avèrent très utiles.
<Les noyaux de ferrite sont des morceaux de ferrite>
Les noyaux de ferrite sont des corps magnétiques en céramique composés de ferrites (ferrites douces) façonnés en différentes formes. Autrefois, les bobines étaient souvent fabriquées en enroulant des fils conducteurs autour d'un noyau de ferrite en forme d'anneau ; c'est pourquoi la ferrite utilisée pour la lutte contre le bruit est également appelée « noyau de ferrite ».
Selon leur composition, les ferrites comprennent notamment la ferrite de manganèse-zinc et la ferrite de nickel-zinc. La ferrite de manganèse-zinc étant conductrice, elle nécessite des mesures d'isolation, tandis que la ferrite de nickel-zinc présente de meilleures caractéristiques à haute fréquence. Pour ces raisons, entre autres, la ferrite de nickel-zinc est souvent utilisée dans le cadre de mesures de lutte contre le bruit.
<Principe selon lequel les noyaux en ferrite éliminent le bruit>
Les noyaux de ferrite se présentent sous différentes formes, mais la plupart sont en forme d'anneau. En faisant passer des fils conducteurs à travers l'orifice de l'anneau, ceux-ci et le noyau de ferrite forment une bobine (inductance). Cette bobine (inductance) repose sur le même principe que celui d’une inductance électronique ; son impédance augmente donc avec la fréquence, comme le montre la figure 1. La bobine fonctionne ainsi comme un filtre passe-bas qui bloque le courant à haute fréquence, permettant ainsi d’atténuer le bruit à haute fréquence. De plus, l’utilisation d’un noyau de ferrite apporte un effet supplémentaire. Lorsqu’un courant circule dans une inductance composée d’un noyau de ferrite, un flux magnétique est généré dans ce dernier, et l’énergie du courant est convertie en énergie magnétique. Cependant, lorsque le courant varie, ce flux magnétique est reconverti en courant par induction électromagnétique. À ce moment-là, l’énergie du flux magnétique n’est pas entièrement reconvertie en énergie de courant ; une partie est perdue sous forme de pertes magnétiques. (Ce phénomène est appelé « perte d’hystérésis ».) En conséquence, une partie du courant de bruit traversant les fils conducteurs est perdue sous forme de pertes magnétiques, ce qui réduit l’énergie. La partie droite de la figure 1 illustre les caractéristiques d’impédance d’une bobine dont les fils conducteurs traversent un noyau de ferrite. L’impédance d’une bobine classique est principalement constituée d’une composante de réactance (X), mais lorsqu’un noyau de ferrite est utilisé, la composante de résistance (R) devient extrêmement importante. Ce phénomène résulte du choix de matériaux en ferrite adaptés à la lutte contre le bruit et fait que l’effet de consommation d’énergie due aux pertes magnétiques représente une part plus importante de l’effet d’élimination du bruit du noyau en ferrite que l’effet de limitation du courant lié à la haute impédance.
<Caractéristiques techniques et performances des noyaux en ferrite>
Les performances de suppression du bruit des noyaux en ferrite varient en fonction des matériaux et de la forme de la ferrite. La perméabilité magnétique change selon les matériaux utilisés, ce qui entraîne également des différences d'impédance. De plus, le rapport entre la composante résistive et la composante réactive de l’impédance varie également en fonction des matériaux. Cependant, les matériaux des noyaux de ferrite commercialisés comme solutions anti-parasites sont spécialement formulés à cet effet ; il n’y a donc pas de différence notable au niveau des caractéristiques, quel que soit le matériau choisi.
L'inductance augmente (proportionnellement au carré du nombre de spires) à mesure que le fil conducteur passe à travers le noyau annulaire (nombre de spires). Cependant, lorsque le fil conducteur est enroulé autour du noyau, le début (entrée) et la fin (sortie) de l’enroulement se rapprochent l’un de l’autre et présentent une capacité flottante entre eux. Le bruit haute fréquence est transmis via cette zone de capacité flottante, ce qui constitue un facteur réduisant les performances en haute fréquence. Par conséquent, compte tenu des fréquences cibles pour la réduction du bruit, le nombre de spires doit soit être augmenté pour cibler la gamme des basses fréquences, soit être réduit pour cibler la gamme des hautes fréquences.
De plus, les dimensions du noyau en ferrite ont une incidence sur les performances, comme le montre la figure 4. Il convient donc de choisir un noyau annulaire présentant le plus petit diamètre intérieur et la section transversale la plus large possible.
<Utilisation d'un noyau de ferrite comme self de mode commun>
En raison de leur praticité, les noyaux de ferrite sont souvent utilisés sur les câbles. Cependant, ces câbles comprennent des câbles d'interface, des câbles d'alimentation et d'autres faisceaux de conducteurs qui circulent en parallèle, ce qui fait que le bruit en mode commun constitue souvent un problème. Les bobines d'arrêt en mode commun constituent une mesure efficace de lutte contre le bruit dans ces cas-là, et leur fonction peut être obtenue en faisant passer les câbles ensemble à travers un seul noyau de ferrite. Par exemple, dans le cas d’un câble d’interface comportant plusieurs lignes de signal raccordées à une seule extrémité, il est difficile d’installer des selfs de mode commun. Cependant, on peut facilement obtenir les mêmes résultats en faisant passer l’ensemble des conducteurs du câble d’interface à travers un seul noyau de ferrite.
<Différentes formes de noyaux en ferrite>
Jusqu’à présent, nous avons présenté des noyaux en ferrite de forme annulaire, mais diverses autres formes de noyaux en ferrite ont également été commercialisées. Il s’agit notamment de noyaux larges et minces adaptés aux formes des câbles plats et des circuits imprimés flexibles (FPC), ainsi que de noyaux segmentés qui s’assemblent autour des câbles afin d’éviter d’avoir à faire passer ces derniers à travers les noyaux. De plus, il existe également des noyaux simples en forme de plaque, qui ne sont pas annulaires. Ces noyaux en plaque sont fixés au-dessus des circuits intégrés (CI) et d’autres emplacements émettant des ondes électromagnétiques ; ils visent à absorber les ondes radio en atténuant les ondes électromagnétiques traversant le noyau en plaque grâce aux pertes magnétiques de la ferrite.
*Les informations présentées dans cet article étaient à jour à la date de publication. Veuillez noter qu'elles peuvent différer des informations les plus récentes.
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