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    Funktionsweise und Auswahl der richtigen Ferritkerne

    Altium Designer
    |  October 3, 2017

    Snap-on ferrite

     

    Manchmal wünsche ich mir, ich könnte elektromagnetische Wellen sehen. Das würde es erheblich vereinfachen, elektromagnetische Interferenzenzu erkennen. Statt mit komplizierten Aufbauten und Signalanalysatoren herumzudoktern, könnte ich einfach nur hinsehen und erkennen, worum sich die ganze Aufregung dreht. Obwohl elektromagnetische Interferenzen nicht sichtbar sind, kann man sie manchmal hören, wenn sie nämlich in Audio-Schaltungen auftreten. Eine Möglichkeit zur Behebung dieser Störungen sind Ferritkerne. Leider können Ferritkerne ein bisschen mysteriös sein. Um sie richtig einzusetzen, muss man ihre elektromagnetischen Eigenschaften und deren Veränderungen verstehen, die beim Gebrauch entstehen. Nachdem man die zugrundeliegende Theorie begriffen hat, muss man die für seine Leiterplatte passenden Ferritkerne sorgfältig auswählen. Tut man das nicht, könnte man am Ende mehr Probleme verursachen als beseitigen.

    Die Theorie hinter den Ferritkernen

    Ferritkerne werden zur Dämpfung von Hochfrequenzsignalen eingesetzt. Das könnte Sie in Versuchung führen, sie als Induktivität zu betrachten, aber sie sind ein wenig komplexer. Die vereinfachte Ersatzschaltung eines Ferritkerns hilft Ihnen beim Verständnis ihrer Frequenzkennlinie. Diese Eigenschaften können sich jedoch in Abhängigkeit von Stromstärke und Temperatur ändern.

    Einen Ferritkern kann man sich wie eine Parallelschaltung aus einer Induktivität, einem Kondensator und einem Widerstand mit einem Vorwiderstand vorstellen. Der Vorwiderstand steht dabei für den Gleichstromwiderstand. Die Induktivität hat den größten Anteil an der Dämpfung von Hochfrequenzsignalen. Der Parallelwiderstand steht für Wechselstromverluste, der Kondensator für die parasitäre Kapazität. Bei der Betrachtung der Impedanz-Frequenz-Kurve eines Ferritkerns kann man sehen, dass die überwiegend ohmsche Impedanz nur in einem schmalen Frequenzband extrem hoch ist. In diesem Abschnitt dominiert die Induktivität des Kerns. Oberhalb dieses Bandes übernimmt die parasitäre Kapazität und reduziert die Hochfrequenzimpedanz schnell.

    Ferritkerne werden in der Regel für einen bestimmten Gleichstrom ausgelegt. Ströme über dem angegebenen Wert können das Bauteil beschädigen. Problematisch ist die Tatsache, dass dieser Grenzwert sehr temperaturabhängig ist. Steigt die Temperatur, nimmt der Nennstrom schnell ab. Der Nennstrom beeinflusst auch die Impedanz des Ferrits. Mit zunehmendem Gleichstrom tritt eine „Sättigung“ des Ferritkerns ein, und seine Induktivität geht zurück. Bei relativ hohen Strömen kann diese Sättigung die Impedanz um bis zu 90 % reduzieren.

     

    ESD in air

    Der Laststrom kann die Impedanz Ihres Ferritkerns verändern.

    Auswahl des richtigen Ferritkerns

    Da Sie die Theorie der Ferritkerne jetzt beherrschen, ist es an der Zeit, den richtigen für Ihre Schaltung auszuwählen. Das ist nicht besonders schwierig, man muss nur die Spezifikationen des Kerns beachten.

    Dass Ferritkerne „hohe Frequenzen dämpfen“, ist allgemein bekannt. Allerdings wirken Ferritkerne nicht wie ein Breitband-Tiefpassfilter, da sie nur Frequenzen in einem bestimmten Bereich unterdrücken. Sie müssen deshalb einen Ferritkern wählen, der genau die von Ihnen unerwünschten Frequenzen dämpft. Wenn Sie dabei ein wenig zu niedrig oder zu hoch gehen, wird der Kern nicht die gewünschte Wirkung haben.

    Sie sollten auch überprüfen, ob der Hersteller Ihnen die Impedanz-Laststrom-Kurven für den Ferritkern zur Verfügung stellen kann. Wenn Ihre Lastströme sehr hoch sind, müssen Sie einen Ferritkern auswählen, der dabei keine Sättigung zeigt und so seine Impedanz verliert.

    Vorsichtsmaßregeln

    Ferritkerne stellen bei hohen Frequenzen im Grunde eine ohmsche Last dar, was bedeutet, dass sie in Ihrem Schaltkreis einige Probleme verursachen können. Wenn Sie einen Ferritkern verwenden, müssen Sie dabei auch den Spannungsabfall und die Wärmeableitung bedenken.

    In den Zeiten von Schaltungen mit höheren Spannungen waren Spannungsabfälle kein großes Problem. Heutzutage aber haben wir es mit vielen Low-Power-Schaltungen zu tun, mit Spannungen von teils nur 2 V. Auf diesem Niveau können Sie sich keine großen Spannungsabfälle leisten. Ferritkerne verursachen zwangsläufig einen Gleichspannungsabfall in Ihrer Schaltung. Dieser scheint nicht sehr groß zu sein, aber wenn Ihre integrierten Schaltungen (ICs) kurzzeitig viel Strom aufnehmen, könnte der Verlust signifikant werden. Platzieren Sie Ihre Ferritkerne deshalb so, dass sie keine Probleme durch Spannungsabfälle verursachen.

    Da Ferritkerne bei hohen Frequenzen als Widerstand wirken, geben sie die absorbierte Energie in erster Linie als Wärme ab. Diese Wärme stellt nicht unbedingt ein Problem dar, aber wenn Sie sie beim Entwurf Ihres aktiven oder passiven Kühlsystems vergessen, kann sie zu einem werden. Noch problematischer könnte diese Wärme werden, wenn es in Ihrem System besonders viel Rauschen gibt und der Ferritkern in großem Umfang hohe Frequenzen absorbiert. Achten Sie darauf, die Entwärmung der Ferritkerne zu berücksichtigen.

     

    Thermometer at 45 degrees Celsius

    Ferritkerne werden nur dann von großem Nutzen sein, wenn Sie ihre Wirkungsweise genau verstehen. Denken Sie daran, dass sie Signale nur in einem ziemlich schmalen Frequenzband dämpfen und ihre Wirksamkeit von der Temperatur und dem Laststrom abhängt. Zum optimalen Einsatz eines Ferritkerns sollten Sie sicherstellen, dass er genau Ihren Anforderungen entspricht. Beim Platzieren des Kerns sollten Sie unbedingt darauf achten, den Spannungsabfall und die Wärmeentwicklung zu berücksichtigen.

    Der Umgang mit Bauelementen wie etwa Ferritkernen kann schwierig sein, aber für das Entwerfen Ihrer Schaltung muss das nicht gelten. Altium Designer ist eine hochmoderne PCB-Design-Software mit Tools, die Ihnen beim Erstellen optimaler Schaltungen helfen. Die Software bietet sogar Add-Ons wie ein Programm zur Analyse von Stromverteilungsnetzen (Power Delivery Network Analyzer), das Ihnen beim Lösen von Problemen wie etwa Spannungsabfällen oder Wärmeableitung helfen kann.

    Haben Sie noch weitere Fragen zu Ferritkernen? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.

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    PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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