Ferritkerne auswählen und richtig einsetzen: Ein Schritt-für-Schritt-Leitfaden

In diesem Artikel führe ich Sie Schritt für Schritt durch die Auswahl von Ferritkernen. Dabei gehe ich auch auf den entsprechenden Designprozess ein, der in Anwendungen wie etwa einem DC/DC-Wandler oder einer Leistungsfilterinduktivität verwendet wird. Dieser Prozess umfasst eine Reihe von Schritten, welche die Verwendung mehrerer Datenblätter und – falls das Design des Ferritkern-Induktors angepasst werden muss – ein gewisses Maß an Iteration erfordern. Er hat folgende Stufen:

Bevor Sie fortfahren, müssen Sie zunächst berücksichtigen, welche Auswirkungen die Auswahl von Ferritkernen anstelle anderer Materialien mit sich bringt. Stellen Sie also erst einmal sicher, dass dies wirklich das beste Material für Ihre Anwendung darstellt.

Zielvorgabe für die Kerngröße (Stufe 1)

Das Design, das wir als Grundlage für diesen Artikel verwenden, zielt auf eine Induktivität von etwa 1 mH ab. Das in Betracht gezogene Ferritmaterial ist dabei ein planarer Typ von Ferroxcube. Die Artikelnummer lautet E38/8/25. Es werden zwei Hälften benötigt, um ein vollständiges Kernset zu erstellen:

Im roten Kasten ist die effektive Länge des Kerns (ℓ_e) hervorgehoben; dies ist ein wichtiger Wert für die Berechnung der Spitzenflussdichte. Es handelt sich um die durchschnittliche Wegstrecke des magnetischen Flusses, wenn zwei Kernhälften zusammengebracht werden. Dies wird anhand der blauen Linie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Auf der rechten Seite sehen Sie, wie der Kernsatz und die Leiterplatte aufgebaut werden. Die Kupferleiterbahnen bilden die Spulenschleifen. Wir müssen hier möglicherweise mehrere kleine Leiterplatten stapeln, um die richtige Anzahl von Windungen zu erhalten. Ein weiteres Ziel dieses Designs ist es, die Gesamthöhe des Profils so niedrig wie möglich zu halten. Daher haben wir einen planaren Kernsatz ins Visier genommen.

Untersuchung und Auswahl des Ferritmaterials (Stufen 2 und 3)

Der Kern E38/8/25 ist in verschiedenen Ferritmaterialien erhältlich. Die gängigen Materialtypen sind 3C90 und 3F3. Als nächstes sollten Sie sich beide Materialtypen einmal genauer ansehen, um herauszufinden, ob einer dem anderen vielleicht vorzuziehen ist. Der erste Vergleich betrifft dabei die Frequenzantwort, d. h. für welche Frequenzbereiche das Ferritmaterial gut geeignet ist:

Die durchgezogenen Linien zeigen die magnetische Permeabilität des Materials, quasi den „Wohlfühlfaktor” von Ferrit. Bei 100 kHz haben beide einen Wert von etwa 2000. Das zeigt uns, wie viel besser sie (a) den magnetischen Fluss konzentrieren und (b) ihn einschränken im Vergleich zu Luft. Beide sind also 2000-mal besser als Luft; das ist wichtig. Bei 100 kHz gibt es keinen großen Unterschied zwischen den beiden. Bis 1 MHz weisen beide auch eine vernünftige Leistung auf.

Die gestrichelten Linien zeigen die Kernmaterialverluste. Bei 1 MHz ist das 3F3-Material dem 3C90 leicht überlegen.

Der nächste Vergleich zeigt, wie stark sich die magnetische Durchlässigkeit mit der Kerntemperatur ändert:

In einem typischen Betriebsbereich von 0 °C bis 100 °C wäre das 3F3-Material also die bevorzugte Wahl. Nicht dargestellt ist ein weiterer Vergleich, der durchgeführt werden sollte, nämlich der des Kernsättigungsniveaus. Ich habe ihn hier aber nicht mit einbezogen, weil beide Materialien ziemlich ähnlich sind und er keinen Einfluss auf die Entscheidung für das 3F3-Material hat.

Kurzer Rückblick

Wir haben uns nun also für einen Kerntyp namens E38/8/25 (hergestellt von Ferroxcube) entschieden und dann untersucht, aus welchen Materialien er hergestellt werden kann. Die Materialien 3C90 und 3F3 sind beide allgemein erhältlich. Nach einem Blick in die Materialspezifikationen haben wir uns dann für das Material 3F3 entschieden, da es eine bessere Leistung verspricht.

Um so weit zu kommen, mussten wir uns drei verschiedene Datenblätter ansehen. Das Datenblatt für den Kernsatz E38/8/25 verriet uns, aus welchen Materialien er überhaupt hergestellt werden kann. Zudem nannte es uns auch einen kritischen Parameter: die effektiven Länge (ℓ_e). Dann haben wir uns die Datenblätter der beiden Materialien angesehen und einen direkten technischen Vergleich angestellt.

Anzahl der Windungen berechnen (Stufe 4)

Wir kehren nun zum E38/8/25-Kerndatenblatt zurück und suchen nach einer Zahl namens A_L (dem Induktionsfaktor):

Die relevante Zahl hier ist die 7250-Nummer unten links. Es wird gesagt, dass für eine Umdrehung der Kupferwicklung die Induktivität 7250 nH (7,25 μH) beträgt. Dies ist der Wert, wenn zwei identische planare Kernhälften zusammengefügt werden. Beachten Sie auch, dass der zugehörige Wert für die magnetische Permeabilität (𝜇_e) des Kerns 1570 beträgt. Ursprünglich war in der Materialspezifikation 2000 angegeben; sobald es jedoch zu einem Kern geformt wurde, nimmt er leicht ab. Das „e” in 𝜇 _e steht für „effektiv”, d. h. 𝜇 _e wird als effektive Permeabilität bezeichnet.

Da Ferritmaterialien den magnetischen Fluss konzentrieren und (nahezu) sicherstellen, dass alle Wicklungswindungen miteinander gekoppelt sind, ist das Verhältnis zwischen der Anzahl der Windungen und der Induktivität also:

L = A_{L .} N²

Unsere Zielinduktivität beträgt 1 mH, also brauchen wir Windungen. Das sind 11,7 Windungen, wobei Bruchteile von Windungen nicht möglich sind, also würden wir uns wahrscheinlich für 12 Windungen entscheiden und eine Induktivität von 1,044 mH „akzeptieren”. Ob Sie auf- oder abrunden, hängt von der Art Ihrer Schaltung ab.

Erforderlichen Strom berechnen (Stufe 5)

Wir haben einen Kernsatz (und unser Kernmaterial) und wir haben jetzt auch die erforderliche Anzahl an Windungen berechnet. Aber welcher Strom muss fließen und wird das Probleme verursachen? Ein zu hoher Strom kann zu einer Kernsättigung führen, also müssen wir das vermeiden. Wir müssen jedoch etwas mehr über die Anwendung wissen, um den Strom korrekt zu berechnen. Für dieses Beispiel gehen wir davon aus, dass es sich bei der Anwendung um einen Gleichspannungswandler handelt, der die Auswahlhilfe für Ferritkerne und die Wicklungen als Ferritkerne eines DCM-Flyback-Transformators verwendet.

Da es sich um eine Flyback-Schaltung handelt, müssen wir keine Aspekte des Sekundärkreises analysieren, um den Primärstrom zu berechnen. Wir müssen lediglich folgende Werte kennen: die maximal an die Last gelieferte Leistung und die Betriebsfrequenz. Also, nehmen wir einmal an, die Betriebsfrequenz ist 100 kHz und die von der Last benötigte Leistung beträgt 40 Watt.

Wenn wir die Lastleistung durch die Frequenz teilen, erhalten wir die Energie in Joule, die der Primärteil in jedem Schaltzyklus speichern und auf den Sekundärteil übertragen muss. Wir müssen auch davon ausgehen, dass es einige Verluste geben wird. Also erhöhen wir die Energie um 10 %, um diese auszugleichen. Wenn wir die „bekannte” Induktor-Energieformel (E = ½ L ⋅I²) etwas anpassen, können wir den Spitzenstrom – der benötigt wird, um im Primärteil zu fließen – mit der folgenden Gleichung berechnen:

Wenn Sie eine andere Anwendungsschaltung für die gewickelte Komponente im Auge haben, ist die tatsächliche Berechnung möglicherweise einfacher als die oben gezeigte. In jedem Fall müssen Sie den Spitzenstrom berechnen, um herauszufinden, ob es ein Problem mit der Kernsättigung geben könnte.

Wir haben 0,918 Ampere für unsere Zielanwendung als Wert herausbekommen. Wir wissen auch, dass dieser Strom der Transformator-Ferritkern-Magnetisierungsstrom für einen Sperrwandler ist. Daher könnte es leicht zu einer Übersättigung des Kerns kommen.

Flussdichte berechnen (Stufe 6)

Um die Flussdichte zu berechnen, müssen wir den Spitzenstrom, die Anzahl der Windungen und den Wert der effektiven Länge (ℓ_e) verwenden, die wir in Stufe 1 ermittelt haben (52,4 mm für zwei E38/8/25-Kernhälften). Erinnern Sie sich an diese Zahl?

Der Spitzenstrom, die Anzahl der Windungen und ℓ_e tragen alle zu einem Wert bei, der als Magnetfeldstärke H bekannt ist:

Wenn wir also H mit der magnetischen Permeabilität multiplizieren, erhalten wir die Flussdichte B. Wir wissen, dass die magnetische Permeabilität (𝜇_e) im Vergleich zu Luft 1570 beträgt. Wir wissen auch (aus verschiedenen Quellen), dass Luft eine absolute Permeabilität von 1,257 𝜇 H pro Meter hat. Daher können wir B wie folgt berechnen:

B = 210,2 ×1570 ×1,257 ×10^-6 = 0,4148 Tesla

Dies ist die vorhergesagte Spitzenflussdichte; wir wissen aus der Literatur, dass sie für Ferritkerne zu hoch ist. Ferrit wird bei etwa 0,4 Tesla stark gesättigt sein, also müssen wir überdenken, was wir tun.

Festlegen, ob ein Luftspalt erforderlich ist (Stufe 7)

Die einfache Antwort lautet: Ja, wir müssen die vorhergesagte Spitzenflussdichte reduzieren. Die gute Nachricht ist, dass wir das E38/8/25-Kernset bereits mit vorgefertigten Luftspalten kaufen können. Erinnern Sie sich an diesen Datenblattauszug aus Stufe 4?

Anstatt also zwei Kerne ohne Luftspalt auszuwählen, könnten wir direkt einen Kern mit Luftspalt und einen Kern ohne Luftspalt wählen. Dies würde die folgende Kernkonstruktion ergeben:

Wenn wir also einen Kern mit Luftspalt von 0,25 mm (250 𝜇m) wählen, verringert sich der AL-Wert auf 1000. Das bedeutet wiederum, dass wir mehr Windungen benötigen, um eine Induktivität von 1 mH zu erzeugen.

• Ab Stufe 4 sollten wir nun 32 Windungen nutzen, um 1,024 mH zu erreichen.
• Ab Stufe 5 sollte der Spitzenstrom 0,927 Ampere betragen (bisher waren es 0,918 Ampere).
• Ab Stufe 6 beträgt H nun 566,1 Ampere-Windungen pro Meter (vorher waren es 210,2 At/m)

Und dann können wir die Spitzenflussdichte mithilfe des Werts für die magnetische Permeabilität mit Luftspalt 𝜇 _e von 216 neu berechnen.

B = 566,1 ×216 ×1,257 ×10^-6 = 0,153 Tesla

Dies zeigt, wie sich das bloße Hinzufügens eines Luftspalts auswirkt. Wir würden für unseren Sperrwandler tendenziell einen Wert unter 0,2 Tesla anstreben, also passt das ganz gut. Folgendes liefert uns eine Simulation (als eine Art Plausibilitätsprüfung):

Die Zahlen stimmen einigermaßen gut überein. Der Kernsatz mit Luftspalt mit einem H-Feld von 566,1 hat eine simulierte Flussdichte von 129 mT (während die Handberechnung 153 mT ergab). Für den Kernsatz mit 12 Windungen ohne Luftspalt und einem H-Feld von 210,2 erhalten wir eine simulierte Flussdichte von 413 mT (sehr nahe an der Handberechnung von 414,8 mT).

Zusammenfassung

Zusammengefasst ist es erstens wichtig, dass Sie beim Entwerfen eines Transformator-Ferritkerns oder bei der Verwendung einer Ferritkern-Induktivität den richtigen Designprozess verwenden. Zweitens gibt es keinen Ersatz für reale Abschlussprüfungen. Diese werden für jedes handgefertigte (oder handgestrickte) gewickelte Bauteil benötigt.

Dieser Artikel kann den Prozess natürlich nur allgemein aufzeigen. Wir hoffen, dass Sie gute Ergebnisse erzielen, wenn Sie sich daran halten. Wenn Sie dabei weitere Einblicke in die Gestaltung und Spaltung eines Ferritkerninduktor-Designs gewinnen, ist das ein Bonus.

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