Wpływ czynników zewnętrznych na skuteczność działania ferrytów

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2005
Wpływ czynników zewnętrznych
na skuteczność działania ferrytów
w układach ograniczania zakłóceń
elektromagnetycznych
Piotr Ruszel *
W artykule omówiono wpływ impedancji podzespołu tłumiącego sygnały zakłóceń
elektromagnetycznych na skuteczność ich tłumienia. Naszkicowano wpływ podstawowych czynników zewnętrznych, zwłaszcza temperatury i stałego lub wolnozmiennego pola magnetycznego na impedancję podzespołu ferrytowego stosowanego do
tłumienia niepożądanych sygnałów wielkiej częstotliwości.
J
edną z niedogodności związanych ze stosowaniem
materiałów ferrytowych jest zależność ich parametrów magnetycznych od czasu i czynników zewnętrznych. Największy wpływ mają temperatura
i zewnętrzne pola magnetyczne zarówno stałe, jak
i wolnozmienne. Zmienność parametrów magnetycznych ferrytów miękkich jest źródłem zmian indukcyjności i dobroci elementów reaktancyjnych zbudowanych z ich udziałem. Powoduje to ograniczenia przy
stosowaniu ferrytów wszędzie tam, gdzie wartość i stałość reaktancji indukcyjnej obwodu elektrycznego ma
znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania urządzeń
elektrycznych (np. transformatory szerokopasmowe,
obwody selektywne, elementy anten itp. [1, 2]). Przy
stosowaniu ferrytów jako elementów ograniczających
interferencję elektromagnetyczną sygnałów [3, 4, 5],
zmiany parametrów ferrytów magnetycznie miękkich
nie są tak znaczące jak przy stosowaniu np. obwodów
rezonansowych, co nie oznacza, że można je pominąć.
Powodują one zmianę impedancji wnoszonej przez
ferryt do obwodu elektrycznego, a tym samym zmieniają wartość tłumienia sygnałów wielkiej częstotliwości. Jeżeli jednak w procesie projektowania zmiany
parametrów materiału ferrytowego zostaną uwzględnione w taki sposób, że zmniejszenie ich wartości
spowodowane np. wzrostem temperatury, nie obniży
wartości modułu impedancji poniżej założonego |Z |,
to funkcjonowanie układu będzie nadal prawidłowe.
Z tego też względu rozpoznanie właściwości materiałów ferrytowych pozwalające na określenie trendów
tych zmian i ich przybliżonej wartości jest istotne,
jeżeli materiały te są stosowane do celów KEM (kompatybilności elektromagnetycznej). Właściwości częstotliwościowe ferrytów i zasady doboru rdzeni są opisane w publikacji [12].
* dr inż. Piotr Ruszel – Wydział Podstawowych
Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska
Zależność tłumienia interferencji
elektromagnetycznych od impedancji
Podstawowy układ pracy elementu indukcyjnego z ferrytem, stosowany w celu ograniczenia skutków interferencji sygnałów zakłócających, przedstawia rys. 1.
Tłumiący element indukcyjny jest włączony szeregowo
pomiędzy źródło niepożądanego sygnału E i obciążenie ZL . Impedancje zarówno źródła sygnału ZS, jak
i obciążenia ZL , są w ogólnym wypadku wielkościami
zespolonymi. Włączenie elementu reaktancyjnego Zdl
pomiędzy te impedancje powoduje powstanie dzielnika napięciowego, którego stopień podziału jest następujący:
U L'
ZL
przy Zdl = 0
(1)
=
E
ZS + Z L
U L"
ZL
przy Zdl ≠ 0
=
E
ZS + Zdl + ZL
(2)
Zatem tłumienie sygnału niepożądanego o wartości
amplitudy E wynosi:
U L'
Z + Zdl + ZL
Zdl
= S
=
+1
"
UL
ZS + Z L
ZS + Z L
(3)
lub w skali logarytmicznej:
⎛ Zdl
⎞
A[dB] = 20 lg ⎜
+ 1⎟
⎝ ZS + Z L
⎠
(4)
Z zależności (4) wynika, że skuteczność tłumienia
sygnałów niepożądanych w układzie jak na rys. 1 jest
tym większa im większy jest stosunek impedancji Zdl/
(ZL + ZS). Wartość spodziewanego tłumienia wnoszonego przez dławik można oszacować z równania (4),
podstawiając do niego wartości modułów impedancji
Zdl, ZL, ZS (rys. 2). Omówiony układ jest bardzo prosty,
ale większość złożonych wypadków występujących
w praktyce można sprowadzić do takich właśnie prostych układów.
31
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2005
Rys. 1. Schemat ideowy układu z załączonym szeregowo elementem indukcyjnym w celu ograniczenia rozprzestrzeniania
się drogą przewodzenia sygnałów niepożądanych ze źródła E do obciążenia ZL
Rys. 2. Wartość tłumienia A[dB] w układzie jak na rysunku 1
w funkcji |Zdl| / |Zs + ZL|
Wpływ temperatury na składowe
przenikalności magnetycznej rdzenia
ferrytowego
Składowe przenikalności, w tym także przenikalności początkowej materiału magnetycznego, są funkcją
wielu czynników [6], między innymi jego składu chemicznego oraz struktury krystalicznej. Dominującą
rolę odgrywa zawartość cynku oraz domieszek dodatkowych, zwłaszcza kobaltu. Wzrost ilości cynku w spieku powoduje wzrost przenikalności magnetycznej, ale
jednocześnie ulegają zmniejszeniu: temperatura punktu
Curie, górna częstotliwość graniczna pracy materiału
magnetycznego oraz zakres liniowej zależności przenikalności magnetycznej od natężenia pola magnetycznego. Do celów EMI częściej stosuje się ferryty niklowo-cynkowe z niewielkim dodatkiem kobaltu. Są to
tak zwane ferryty perminwarowe. Ich przenikalność
magnetyczna jest mniejsza niż ferrytów manganowoniklowych ( i max<300), ale zakres pracy sięga częstotliwości kilkuset MHz. Wartości składowych ’ oraz
” przenikalności [12] są zależne od ilości domieszko-
32
Rys. 3. Wpływ domieszki kobaltu na właściwości magnetyczne
materiału ferrytowego. Materiały A i A’ mają podobne
wartości przenikalności względnych m i (f=1 MHz)»30
i m”(f=1 MHz)»0,015 [7] (A – materiał bez dodatku kobaltu,
A’ – materiał z dodatkiem kobaltu)
Rys. 4. Przykład zmian składowej rzeczywistej m’ i urojonej m”
przenikalności magnetycznej zespolonej m materiału ferrytowego, w funkcji temperatury, w zakresie częstotliwości leżących znacznie poniżej częstotliwości rezonansu
struktury materiału rdzenia i przy zewnętrznym polu
magnetycznym H = 0 A/m [7, 10]
wanego kobaltu [7] (rys. 3) i technologii wykonania.
Składowa urojona ” przenikalności zespolonej oraz jej
składowa rzeczywista ’ zależą od temperatury (rys.4).
Na wartość i przebieg zmian ’ oraz ” materiałów ferrytowych istotne znaczenie ma nie tylko skład chemiczny, ale i proces technologiczny, zwłaszcza proces
spiekania i dodatkowego wygrzewania spieków. Jednak
z punktu widzenia KEM jest ważne jedynie, aby ferryt
wnosił do obwodu straty, a jego przenikalność magnetyczna nie zmieniała się w znaczący sposób w zakresach częstotliwości i temperatury, w których ma tłumić sygnały niepożądane.
Wpływ czasu na właściwości
magnetyczne rdzeni ferrytowych
Znaczna część materiałów ferrytowych wykazuje zmiany
swoich właściwości magnetycznych z upływem czasu
[9, 10]. Zmiany te są nazywane ogólnie niestabilnością
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2005
czasową. Zmiany przenikalności magnetycznej noszą
nazwę dezakomodacji przenikalności. Wyznaczając dezakomodację materiału ferrytowego w funkcji temperatury, można prognozować na jej podstawie zachowanie
się parametrów tego materiału z upływem czasu. Zależność dezakomodacji od temperatury wynika z co najmniej trzech zjawisk relaksacji magnetycznej (rys. 5).
Kształt tego swoistego „widma temperaturowego” dez-
ferrytowych, służących do tłumienia sygnałów niepożądanych. Podzespoły te stosuje się np. w obwodach zasilania układów elektronicznych, zarówno po stronie
stałoprądowej jak i zmiennoprądowej o częstotliwości sieci zasilającej. Zatem przez taki podzespół przepływa stały lub wolnozmienny prąd zasilający. Pole
magnetyczne wytworzone przez ten prąd, powoduje
wstępne namagnesowanie materiału magnetycznego.
W konsekwencji następuje zmiana indukcji materiału
magnetycznego, a w skrajnym przypadku materiał może
być wprowadzony w stan nasycenia magnetycznego.
Powoduje to znaczący spadek przenikalności magnetycznej rdzenia i zmniejszenie impedancji wnoszonej
przez ten rdzeń dla sygnałów wielkiej częstotliwości
(rys. 6), co jest równoznaczne, ze zmniejszeniem skuteczności tłumienia sygnałów niepożądanych.
Rys. 5. Jeden z możliwych przebiegów „widma temperaturowego” dezakomodacji materiału ferrytowego. Relaksacja I
odpowiada za stabilność w krótkim czasie. Relaksacje II
i III odpowiadają za stabilność w długim czasie
akomodacji jest zależny od materiału, technologii jego
wytworzenia oraz rodzaju i intensywności wymuszeń
zewnętrznych. Należy zaznaczyć, że zagadnienia niestabilności czasowej są szczególnie istotne w przypadku ferrytów manganowo-niklowych (duże wartości przenikalności magnetycznej początkowej i ) i dla
rdzeni o zamkniętym strumieniu magnetycznym. Przy
zastosowaniu ferrytów do celów KEM zagadnienia te
są mniej istotne z dwu powodów:
1) częściej stosuje się ferryty niklowo–cynkowe o mniejszej przenikalności początkowej mi , ale wyższej granicznej częstotliwości pracy
2) istotna jest wnoszona przez rdzeń, do obwodu elektrycznego, wartość impedancji oraz wartość strat,
tak aby moduł tej impedancji nie był mniejszy od zadanej wartości minimalnej, wymaganej ze względu
na tłumienie.
Wpływ pól magnetycznych
na impedancję wnoszoną do obwodu
elektrycznego przez rdzeń ferrytowy
Właściwości magnetyczne rdzenia ferrytowego zależą
od wartości natężenia pola H stałych i wolnozmiennych
pól magnetycznych, w których rdzeń ten się znajduje.
Wielkość wpływu tych pól na impedancję wnoszoną
do obwodu elektrycznego przez rdzeń ferrytowy jest
istotna z punktu widzenia skuteczności działania podzespołów zbudowanych z wykorzystaniem materiałów
Rys. 6. Wykres procentowych zmian impedancji wnoszonej przez rdzeń ferrytowy do obwodu elektrycznego,
w funkcji natężenia stałego pola magnetycznego magnesującego wstępnie rdzeń, gdzie: A, C, E – materiały
ferrytowe o przenikalności początkowej miA= 30, miC= 200,
miE= 2000
Zasady i zalecenia doboru materiału
ferrytowego dla celów KEM
Z przytoczonych wyżej rozważań wynika, że najistotniejsze z punktu widzenia wpływu czynników zewnętrznych na materiały ferrytowe stosowane do
celów KEM są: wpływ temperatury i wstępne namagnesowanie materiału rdzenia stałym polem magnetycznym. W przypadku wstępnego namagnesowania
projektant układu musi pogodzić dwa sprzeczne ze
sobą wymagania. Duża wartość składowej indukcyjnej impedancji może być uzyskana przez dobór materiału o dużym współczynniku przenikalności magnetycznej i lub i przez zwiększenie liczby zwojów
N uzwojenia. Wzrost liczby zwojów uzwojenia powoduje, co prawda, wzrost indukcyjności proporcjonalnie do kwadratu liczby zwojów, ale jednocześnie ulega
obniżeniu górna częstotliwość pracy takiego elementu
(rys. 7). To obniżenie górnej częstotliwości granicznej
wynika z następujących czynników:
33
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2005
le = 2 ⋅ π ⋅ re ≈
1
⋅ π ⋅(D + d)
2
(8)
gdzie : D – średnica zewnętrzna rdzenia walcowego,
d – średnica otworu w rdzeniu walcowym, re – średni
promień obwodu magnetycznego.
Dla rdzenia walcowego o wymiarach D = 5 mm, d =
1,1 mm, wykonanego z materiału ferrytowego oznaczonego w niniejszej publikacji symbolem C, przy prądzie
stałym IDC = 1 A, natężenie stałego pola magnetycznego
powodującego wstępne magnesowanie rdzenia wyniesie:
Rys. 7. Wykres zmian wartości modułu impedancji |Z| elementu
indukcyjnego z ferrytem dla tego samego rdzenia (materiał C), ale przy różnej liczbie zwojów N = 1, N = 2, N = 3
(lewa oś wykresu). Wykres zmian wartości zredukowanej
modułu impedancji |Z| / |Zmax| elementu indukcyjnego
z ferrytem, przy tej samej liczbie N= 3 zwoje, ale dla materiałów o różnych wartościach przenikalności magnetycznej początkowej miA= 30, miC= 200, miE= 2000 (prawa
oś wykresu)
zwiększenie pojemności resztkowych (pasożytniczych), które powodują obniżenie częstotliwości rezonansu własnego uzwojenia elementu tłumiącego
sygnały niepożądane
zwiększenie natężenia stałego pola magnetycznego
H, magnesującego wstępnie rdzeń, wytworzonego
przez przepływający przez uzwojenie roboczy prąd
zasilania. Wartość natężenia wytworzonego pola jest
proporcjonalna do iloczynu J×H, to jest przepływającego prądu oraz liczby zwojów uzwojenia.
Określenie wpływu wstępnego namagnesowania
rdzenia stałym polem magnetycznym wymaga oszacowania wartości tego pola, z następującej zależności:
H[Oe] =
0, 4 ⋅ π ⋅ N ⋅ J
le
(5)
H=
0, 4 ⋅ π ⋅1⋅1
0, 4
=
≈ 1, 3 Oe =
0, 5 ⋅ π ⋅ (0, 5 + 0,11) 0, 305
= 103,4 A/m
(9)
Spowoduje ono spadek impedancji rdzenia o około
25 %. Ale już przy N = 3 zwoje, natężenie pola magnetycznego wyniesie H = 310,4 A/m i spadek impedancji wyniesie średnio 45 % wartości początkowej (patrz
rys. 6). Jeżeli analizowany rdzeń pracuje w środowisku,
którego temperatura w otoczeniu rdzenia wzrośnie np.
do 50 °C, to nastąpi dalszy spadek o około 10 % impedancji wnoszonej do obwodu elektrycznego przez element
tłumiący sygnały niepożądane (rys. 8). Szersze omówienie wyżej podanych zagadnień nie jest możliwe w ramach tego artykułu, ze względu na znaczną złożoność
problemów. Nie jest to również konieczne w przypadku stosowania ferrytów do celów KEM. Należy jedynie
pamiętać, że czynniki zewnętrzne wywołują , z reguły,
zmniejszenie impedancji elementu tłumiącego sygnały
powodujące interferencje elektromagnetyczne.
Przyjęcie wymaganej impedancji o 30–40 % większej
od minimalnej zapewni w większości wypadków prawidłową pracę urządzenia.
gdzie: N – liczba zwojów, J – prąd płynący przez uzwojenie (A), le – długość obwodu magnetycznego o
stałym polu przekroju (cm), H – natężenie pola magnetycznego (Oe).
W przypadku rdzeni o złożonych kształtach, odrębnym problemem jest określenie zastępczej długości
obwodu magnetycznego le. Określenie tego parametru wymaga wyznaczenia tak zwanych stałych C1 i C2
rdzenia. Zastępczą długość obwodu magnetycznego le
wyznacza się z równania:
C2
(6)
le[mm ] = 1
C2
Natomiast stałe C1 i C2 rdzenia wyznacza się z zależności:
l
l
C1[1/mm ] = ∑
i C2⎡1 / mm2 ⎤ = ∑ 2
(7)
A
A
⎣
⎦
gdzie : A – przekrój rdzenia lub części rdzenia o stałym
przekroju (mm2), l – długość całego lub części obwodu
magnetycznego o stałym przekroju (mm2).
W przypadku rdzenia cylindrycznego z otworem
w środku przez który przechodzi przewód, równoważna
długość obwodu magnetycznego jest równa [11]:
34
Rys. 8. Wykres zmian modułu impedancji |Z| = F(f) dławika
z rdzeniem ferrytowym wykonanym z materiału C o przenikalności początkowej miC= 200, bez wstępnego namagnesowania i ze wstępnym namagnesowaniem prądem
stałym 1 A. Rdzeń ferrytowy ma kształt walca o średnicy
zewnętrznej D = 5 mm, średnicy otworu d = 1,1 mm i długości h = 20 mm, liczba zwojów N = 1
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2005
Uwagi i wnioski końcowe
Bibliografia
Z oszacowania wpływu czynników zewnętrznych na
właściwości impedancyjne elementów ferrytowych stosowanych w celu eliminacji sygnałów powodujących
zakłócenia elektromagnetyczne wynika, że największy
wpływ mają: wstępne namagnesowanie rdzenia stałym
polem magnetycznym i wzrost temperatury pracy rdzenia. Wpływ pozostałych czynników zewnętrznych,
z punktu widzenia KEM, jest mniej istotny i w zastosowaniach można go pominąć. Poprawę stałości parametrów elementu tłumiącego sygnały niepożądane można
uzyskać, wprowadzając na drodze strumienia magnetycznego szczelinę powietrzną. Jednak przy stosowaniu do wyżej wymienionego celu rdzeni walcowych nie
jest to możliwe. Poprawę skuteczności tłumienia uzyskuje się, stosując elementy o mniejszej impedancji, ale
w większej liczbie, łącząc je szeregowo. Wymaga to pozostawienia w konstrukcji układu elektronicznego większej przestrzeni na instalację tych elementów i podnosi koszt realizacji zadania. Doświadczenia wykazały, że
liczba łączonych szeregowo elementów tłumiących nie
powinna przekraczać trzech. W praktyce, bez względu
na liczbę stosowanych elementów tłumiących wartości realnie uzyskiwanych tłumień nie są większe od 40–
–50 dB, jeżeli jednocześnie z tymi elementami nie stosuje się ekranowania elektromagnetycznego.
Do określenia wartości, o jaką może zmienić się impedancja elementu tłumiącego zakłócenie w wyniku
wpływu czynników zewnętrznych, niezbędne są informacje o stosowanym materiale. Informacje takie można
uzyskać od producentów materiałów ferrytowych.
Znaczna część tych danych jest podana także w katalogach wyrobów. Pełnych informacji o rzeczywistych
właściwościach zastosowanego podzespołu nie da się
uzyskać na drodze obliczeń teoretycznych; uzyskuje
się je wyłącznie na drodze pomiarowej. Proponowane
obliczenia stosuje się w celu oszacowania wymagań
stawianych podzespołom indukcyjnym, stosowanym
do tłumienia sygnałów zakłócających, oraz właściwego
zaprojektowania podzespołu z odpowiednim marginesem bezpieczeństwa wartości jego parametrów.
W czasie montażu podzespołów z rdzeniami ferrytowymi należy pamiętać, że poddanie ich zewnętrznym
narażeniom termicznym (np. impregnacji), magnetycznym czy mechanicznym może w sposób istotny zmienić początkowe właściwości magnetyczne podzespołu,
niezależnie od zmian wynikających z wahań temperatury otoczenia czy natężeń pól magnetycznych.
Tłumienie sygnałów zakłócających za pomocą elementów indukcyjnych zbudowanych z zastosowaniem
ferrytów jest obecnie często stosowanym środkiem
pozwalającym na poprawę właściwości układów elektronicznych z punktu widzenia ich kompatybilności
elektromagnetycznej. Dostępność gotowych, o takim
przeznaczeniu podzespołów indukcyjnych jest coraz
większa. Ułatwia to w istotny sposób pracę konstruktorom układów elektronicznych, jednak jej efekt zależy
od tego czy potrafią oni wybrać podzespół o właściwych parametrach.
1. Ruthroff C.L.: Some Broad-Band Transformers. Proceeding of the IRE August 1959, s. 1337–1342.
2. Praca zbiorowa pod red. Wojnara A.: Poradnik inżyniera radioelektryka. WNT Warszawa 1969.
3. Marta San Roman: Ferrites for chokes in commutation
motors. ITEM 1999, s. 35.
4. Marta San Roman: Low profile SMD ferrite components for EMI supresion. ITEM 2000, s. 88.
5. Gerfer A.: SMD ferrites and filter components – EMIO
problem solvers. ITEM 2001, s. 144.
6. Gąsiorek S., Wadas R.: Ferryty zarys właściwości i technologii. WKiŁ Warszawa 1987.
7. Smit J., Wijn H.P.J.: Ferrites. Philips Technical Library.
Printet in Nederlands 1969.
8. Philips Magnetic Products. Techn. Note „3S3“, A new
soft ferrite for EMI supretion.
9. Postupolski T.: Przyśpieszona metoda badania niestabilności statycznej indukcyjności podzespołów ferrytowych. Przegląd Elektroniki 8 /1968, s. 404.
10. Zakład Materiałów Magnetycznych „Polfer”: Materiały
i rdzenie ferrytowe. Ferryty magnetycznie miękkie
ferroxyd. Katalog 1977.
11. Kuliszewski T.: Transformatory telekomunikacyjne
– teoria, projektowanie, obliczanie. WNT Warszawa
1967.
12. Ruszel P.: Zastosowanie ferrytów do ograniczania sygnałów zakłóceń radioelektrycznych w układach elektronicznych. PAR 12 /1999. s. 9–13.
REKLAMA
35