Wie funktionieren Ferritperlen und wie wählt man die Richtige aus?

Manchmal wünschte ich, ich könnte elektromagnetische Wellen sehen. Das würde die Erkennung von EMI wesentlich einfacher machen. Statt mich mit komplizierten Aufbauten und Signalanalysatoren herumschlagen zu müssen, könnte ich einfach schauen und sehen, worum es bei all dem Trubel geht. Auch wenn wir EMI nicht sehen können, können wir es manchmal hören, wenn es durch Audiokreise kommt. Eine mögliche Lösung für diese Art von Störungen ist eine Ferritperle.

Leider können Ferritperlen (auch als Ferritdrossel, Ferritklemme, Ferrithülse, EMI-Filterperle oder sogar als Ferritringfilter bezeichnet) ein bisschen ein Rätsel sein. Die Funktion des Ferritkerns ähnelt der eines Induktors, aber die Frequenzantwort des Ferritkerns weicht bei hohen Frequenzen von dieser Funktionalität ab. Darüber hinaus bieten verschiedene Arten von Perlen, wie drahtgewickelte Ferritperlen und Chip-Ferritperlen, unterschiedliche Antworten auf die Geräuschreduzierung. Drahtgewickelte Ferritperlen beispielsweise funktionieren über einen weiten Frequenzbereich, bieten aber weniger Widerstand in Gleichstromanordnungen. Um sie richtig zu verwenden, müssen Sie ihre elektromagnetischen Eigenschaften verstehen und wie sie sich während des Gebrauchs ändern. Nachdem Sie die Theorie hinter den Verwendungsmöglichkeiten von Ferritperlen verstanden haben, können Sie bewusst eine für Ihre Schaltplatine auswählen. Wenn Sie das nicht tun, könnten Sie mehr Probleme verursachen, als Sie lösen.

Dieses Bild zeigt, warum eine Ferritperle manchmal als Ferritring oder Ferritdrossel bezeichnet wird

Was ist eine Ferritperle und wie funktionieren Ferritperlen?

Ferritperlen sind passive elektronische Bauteile, die hochfrequente Signale auf einer Stromversorgungsleitung unterdrücken können. Sie werden normalerweise um ein Paar von Strom-/Masseleitungen herum platziert, die zu einem bestimmten Gerät führen, wie zum Beispiel das Stromkabel Ihres Laptops. Diese Perlen funktionieren nach dem Faradayschen Gesetz: Der magnetische Kern um einen Leiter induziert eine Gegen-EMK in Anwesenheit eines hochfrequenten Signals, was im Wesentlichen die Ferritfrequenzantwort dämpft. Standard-Ferritperlen können von spezialisierten Herstellern wie Coilcraft bezogen werden, obwohl bestimmte Projekte möglicherweise angepasste Perlen erfordern.

Ferrite sind magnetische Materialien, und das Platzieren dieses Materials in einer Ferritklemme um die Stromversorgungs-/Masseleitung herum bietet eine Quelle induktiver Impedanz für Signale, die durch die Leitung gehen. Das könnte Sie dazu verleiten, sie als Standardinduktor zu betrachten, aber sie sind komplexer als das. In Wirklichkeit ist eine Ferritperle eine nichtlineare Komponente; die Impedanz, die sie bietet, ändert sich, wenn sich der Laststrom und der Spannungsabfall über dem Ferrit ändern. Das vereinfachte Schaltungsmodell einer Ferritperle hilft Ihnen, ihre Frequenzcharakteristika zu verstehen. Beachten Sie jedoch, dass sich diese Attribute als Funktion von Strom und Temperatur ändern können.

Der Laststrom kann die Impedanz Ihrer Ferritperle ändern.

Wofür werden Ferritperlen verwendet?

Da die Impedanz von Ferritperlen induktiv ist, werden Ferritperlen-Induktoren verwendet, um Hochfrequenzsignale in elektronischen Komponenten zu dämpfen. Wenn eine Ferritperlen-Drossel auf der Stromleitung, die zu einem elektronischen Gerät führt, platziert wird, entfernt sie jegliches störendes Hochfrequenzrauschen, das auf einer Stromverbindung vorhanden ist oder von einem Gleichstromnetzteil ausgegeben wird. Diese Verwendung der Ferritklemme ist einer von vielen Ansätzen zur Geräuschunterdrückung, wie beispielsweise von einem Schaltnetzteil. Diese Anwendung von Ferritperlen als Ferritfilter bietet Unterdrückung und Eliminierung von geleitetem EMI.

Unter den verschiedenen Verwendungen von Ferritperlen als Filtern ist ein EMI-Filterperle/Netzteilfilterperle normalerweise für einen bestimmten Gleichstromschwellenwert ausgelegt. Ströme, die größer als der angegebene Wert sind, können die Komponente beschädigen. Das Problematische ist, dass dieser Grenzwert drastisch von der Hitze beeinflusst wird. Mit steigender Temperatur nimmt der bewertete Strom schnell ab. Der bewertete Strom beeinflusst auch die Impedanz der Ferritperle. Wenn der Gleichstrom zunimmt, wird eine Ferritperle "sättigen" und Induktivität verlieren. Bei relativ hohen Strömen kann die Sättigung die Impedanz der Ferritperle um bis zu 90% reduzieren.

Ferritperle vs. Induktor

Obwohl eine Ferritperle als Induktor modelliert werden kann, verhalten sich Ferritperlen-Induktoren nicht wie ein typischer Induktor. Wenn Sie sich fragen, wie man das Verhalten einer Ferritperle im Vergleich zum Verhalten eines Induktors misst, würden Sie ein analoges Signal durch die Perle senden und die Frequenz über mehrere Größenordnungen hinweg durchlaufen. Wenn Sie ein Bode-Diagramm für die frequenzgefegten Messungen einer Ferritperle erstellen, werden Sie feststellen, dass die Ferritperle einen steileren Abfall bei höheren Frequenzen bietet im Vergleich zu einem Induktor mit ähnlichem Niederfrequenzverhalten.

Ein einfaches, aber genaues Modell einer Ferritperle, die an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist.

Ein Ferritkern kann modelliert werden als Kondensatoren und Induktoren, sowie ein Widerstand parallel zu diesem RLC-Netzwerk, verbunden mit einem Serienwiderstand. Der Serienwiderstand quantifiziert den Widerstand des Bauteils gegenüber Gleichströmen. Der Induktor in diesem Modell repräsentiert die primäre Funktion eines Ferritkerns, nämlich hochfrequente Signale zu dämpfen, d.h., induktive Impedanz durch das Faradaysche Gesetz bereitzustellen. Der parallele Widerstand in diesem Modell berücksichtigt Verluste in Wirbelströmen, die innerhalb des Ferritkerns bei hohen Frequenzen induziert werden. Schließlich berücksichtigt der Kondensator in diesem Modell die natürliche parasitäre Kapazität des Bauteils.

Wenn man sich eine Impedanzkurve eines Ferritkerns ansieht, ist die primär resistive Impedanz nur in einem schmalen Band extrem hoch. Die Induktivität des Kerns dominiert innerhalb dieses schmalen Bands. Bei höheren Frequenzen beginnt die Impedanz des Ferritkerns kapazitiv zu erscheinen und die Impedanz nimmt schnell ab. Schließlich, wenn die Frequenz weiter steigt, wird die kapazitive Impedanz auf einen sehr kleinen Wert fallen, und die Impedanz des Ferritkerns erscheint rein resistiv.

Der Ferritkern in einem Ferritkern hat eine ähnliche Funktion wie der Ferritkern in einem Transformator.

Auswahlleitfaden für Ferritkerne

Jetzt, da Sie die Theorie der Ferritkerne kennen, ist es an der Zeit, einen für Ihr Gerät auszuwählen. Das ist nicht sehr schwierig, und wenn Sie wissen möchten, wie Sie einen Ferritkern für ein Design auswählen, müssen Sie nur auf die Spezifikationen eines Kerns achten. Sie fragen sich vielleicht, ob Ferritkerne für mein Design notwendig sind? Wie bei vielen Ingenieursentscheidungen ist die Antwort nicht so einfach. Wenn Sie wissen, dass Ihre Platine innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs geleitete EMI erfahren wird und Sie diese Frequenzen dämpfen müssen, dann könnte ein Ferritkern die richtige Wahl für Ihr Design sein.

Basierend auf dem induktiven Verhalten von Ferritkernen liegt der Schluss nahe, dass Ferritkerne „hohe Frequenzen dämpfen“ ohne weiteres Nachdenken. Ferritkerne wirken jedoch nicht wie ein Breitband-Tiefpassfilter, da sie nur eine spezifische Frequenzbereich dämpfen können. Sie müssen einen Ferritkern und eine Drossel auswählen, bei denen Ihre unerwünschten Frequenzen in seinem resistiven Band liegen. Wenn Sie ein wenig zu niedrig oder zu hoch gehen, wird der Kern nicht den gewünschten Effekt haben.

Bevor Sie eine spezifische Ferritperle für Ihr Design auswählen, sollten Sie prüfen, ob der Hersteller Ihnen Impedanz-gegen-Laststrom-Kurven für die Ferritperle zur Verfügung stellen kann. Dies ist bei weitem das beste Werkzeug, das Sie verwenden können, wenn Sie unsicher sind, wie Sie eine Ferritperle auswählen sollen. Wenn Ihre Lastströme sehr hoch sind, müssen Sie eine Ferritperle auswählen, die diese ohne zu sättigen und ihre Impedanz im gewünschten Frequenzbereich zu verlieren, aushalten kann.

Vorsichtsmaßnahmen

Ferritperlen und Ferritdrosseln sind im Wesentlichen resistive Lasten bei hohen Frequenzen, was bedeutet, dass sie einige Probleme in Ihrem Schaltkreis verursachen können. Beim Platzieren einer Perle müssen Sie über Spannungsabfall und Wärmeableitung nachdenken.

In Zeiten von Schaltkreisen mit höherer Spannung war der Spannungsabfall kein großes Problem. Jetzt haben wir viele Niedrigleistungs-Schaltkreise, die Spannungen von etwa 2 V verwenden können. Auf diesen Ebenen können Sie es sich nicht leisten, viel zu verlieren. Ferritperlen verursachen einen Gleichspannungsabfall in Ihrem Schaltkreis. Es mag nicht nach viel aussehen, aber wenn Ihre integrierten Schaltkreise (ICs) einen kurzzeitigen Zustand mit hohem Stromverbrauch haben, könnte der Verlust bedeutend werden. Platzieren Sie Ihre Ferritperlen dort, wo sie keine Probleme mit dem Spannungsabfall verursachen.

Da Ferritkernmaterialien bei hohen Frequenzen resistiv sind, wird die absorbierte Energie hauptsächlich als Wärme abgeleitet. Diese Wärme ist nicht unbedingt ein Problem für Ihre Leiterplatte, wenn eine Ferritdrossel in einer Stromversorgungsleitung verwendet wird, aber sie kann zu einem Problem werden, wenn sie dazu verwendet wird, hohe Frequenzen bei hohem Strom zu dissipieren. Wenn Ihr System besonders laut ist und die Perle viele hohe Frequenzen absorbieren wird, könnte diese Wärme zu einem größeren Problem werden. Stellen Sie sicher, dass Sie die Wärmeableitung der Perle berücksichtigen.

Die Impedanz der Ferritperle ändert sich mit der Temperatur.

Ferritperlen können durchaus nützlich sein, aber nur, wenn Sie genau verstehen, wie sie funktionieren. Denken Sie daran, dass sie Signale in einem ziemlich kleinen Band abschwächen und ihre Wirksamkeit von der Temperatur und dem Laststrom abhängt. Um eine Ferritperle am besten zu nutzen, sollten Sie sicherstellen, dass sie Ihren genauen Spezifikationen entspricht. Und wenn Sie die Perle platzieren, sollten Sie den Spannungsabfall und die Wärme berücksichtigen.

Wir diskutieren oft über die Bedeutung und Funktion von Ferritperlen. Wenn Sie mehr Informationen über Ferritperlen oder Ferritkerne möchten, schauen Sie sich Alles, was Sie über Ferritperlen wissen müssen von der Branchenexpertin Kella Knack an.

Der Umgang mit Dingen wie Ferritperlen kann schwierig sein, aber das Entwerfen Ihrer gedruckten Schaltplatine muss nicht kompliziert sein. Altium Designer^® ist eine hochmoderne PCB-Designsoftware mit Werkzeugen, die Ihnen helfen können, die optimale Platine zu bauen. Es verfügt sogar über Zusatzfunktionen wie das Stromversorgungsnetzwerk, das Ihnen helfen kann, Probleme wie Spannungsabfall und Wärmeableitung zu bewältigen.

Haben Sie weitere Fragen zu Ferritperlen oder Ferritkernen? Rufen Sie einen Experten bei Altium an.