Cómo utilizar perlas, chips, núcleos y placas de ferrita

Menciona la palabra ferrita alrededor de algunos diseñadores de circuitos, y probablemente lo primero que venga a la mente sea “perla de ferrita”. Estos componentes generalmente se incorporan en un diseño con un propósito simple: bloquear todo excepto la corriente continua. Muy simplemente, las perlas de ferrita, sin importar su factor de forma, están destinadas a ser un circuito de paso bajo simple. Pero, ¿qué pasa con otros tipos de ferritas? ¿Cómo se compara su funcionalidad eléctrica con una simple perla de ferrita?

Hay varios tipos de ferritas que considerar para usar en su diseño. Aunque todas obedecen las mismas leyes de la física, pueden proporcionar diferentes funciones en su diseño dependiendo de su factor de forma y colocación. En particular, hay algunos problemas que una ferrita alternativa puede resolver y que no se pueden abordar con una perla de ferrita.

Diferentes Ferritas, Diferentes Aplicaciones

Comience a mirar algunos sitios web de fabricantes de componentes, y encontrará una terminología variada en torno a las perlas de ferrita. Algunas compañías usarán el nombre correcto de un producto al describir ferritas, mientras que otras guías de productos simplemente llamarán a todo una perla de ferrita. Luego están las placas de ferrita, que no son proporcionadas por cada fabricante de perlas de ferrita. Algunas guías de EMI también se referirán a la "perla de ferrita" genérica al indicar cuál componente es su solución mágica para EMI, y típicamente sin indicar cómo o dónde colocar el componente.

El punto de usar una ferrita es aprovechar la alta susceptibilidad magnética de los materiales ferrimagnéticos para suprimir el ruido y la radiación. Estos materiales tienen un alto valor de μ en la ecuación estándar de inductancia. Cuando se usan como inductores, el alto valor de μ es lo que te da una gran inductancia para un paquete físicamente pequeño. Para despejar toda la confusión, veamos cada una de estas opciones de ferrita para ver cuál es la mejor opción para su sistema.

Núcleo de Ferrita

Esta es la referencia más común a una perla de ferrita que encontrarás en foros, guías y otros lugares. A menudo hacemos un mal trabajo al diferenciar esto de un inductor, una perla de ferrita montada en placa y un filtro de modo común por razones que veremos en un momento. Algunos fabricantes de ferritas llamarán a esto un filtro de ferrita o abrazadera de ferrita en lugar de un núcleo de ferrita, y se vuelve confuso porque algunos fabricantes usarán estos términos de manera intercambiable para algo más (ya sea filtros de modo común o diferencial, o ferritas en chip). Ten en cuenta esto al considerar el uso de ferritas toroidales para sujetar cables de alimentación, y al mirar productos en el sitio web de un fabricante.

Independientemente del término utilizado para referirse a este componente, está destinado a colocarse en un cable de alimentación que entra en el sistema con la idea de suprimir ruido común conducido proveniente de la red. A veces verás esto como un núcleo toroidal envolviendo el cable de salida de tu enchufe de corriente continua. Si estás leyendo esto en tu laptop, probablemente haya un núcleo de ferrita en el cable de alimentación.

Ferritas en Chip

Estos componentes están básicamente destinados a ser inductores con un núcleo de ferrita en un pequeño paquete SMD con un patrón de tierras estandarizado. También se les llama a menudo "perlas de ferrita en chip", por lo que hay una distinción importante con un núcleo de ferrita estándar encontrado en un cable de alimentación. El propósito de estos componentes es proporcionar una alta inductancia en un paquete físicamente pequeño, mucho más pequeño de lo que se vería en una bobina de inductor de núcleo de aire típica.

Las ferritas en chip también pueden venir empaquetadas como componentes de chip de bajo perfil que proporcionan filtrado de ruido en modo común o diferencial. Las frecuencias de corte para estos componentes pueden alcanzar cientos de MHz. Es importante notar que los valores de impedancia serán diferentes para el ruido en modo diferencial versus el ruido en modo común. Por ejemplo, echa un vistazo a la curva de impedancia para una perla de ferrita en chip a continuación. La impedancia en modo común muestra el comportamiento típico de un inductor de extremo único, pero el componente en modo diferencial todavía tiene una alta impedancia, limitando el uso de este tipo de componente como un filtro en modo diferencial a menos que te preocupe filtrar hasta frecuencias de ~GHz.

Placas de Ferrita

Estos componentes son literalmente placas o discos de un material ferrimagnético, y se colocan en un recinto cerca de un componente problemático. Una aplicación común es en la electrónica de potencia para contrarrestar el ruido de conmutación sin añadir un circuito de filtro a un diseño. Estos materiales pueden proporcionar protección contra el ruido acoplado inductivamente que proviene de una fuente de alta dI/dt, como la que se obtendría en un regulador de potencia de conmutación de alta corriente. También proporcionan supresión de EMI radiada, actuando como un material de blindaje estándar. Sin embargo, asegúrate de verificar el valor de μ frente a la frecuencia para estos materiales para determinar la efectividad del blindaje.

Bobinas de Modo Común

Con más frecuencia referidas como un par de inductores acoplados, estos componentes incluyen un núcleo de ferrita cilíndrico con un alambre enrollado para proporcionar filtrado de ruido de modo común, aunque invertir el enrollado en uno de estos componentes proporcionará filtrado de modo diferencial. Estos componentes pueden usarse con otros componentes reactivos para proporcionar filtrado de modo mixto de 2º orden y superior. Un circuito típico que proporciona filtrado de ruido de modo común y diferencial con una pendiente de atenuación de 12 dB/octava se muestra a continuación.

Resumen

El uso de perlas de ferrita a veces se comunica de manera deficiente, aunque generalmente se acepta que su propósito es suprimir la EMI. En realidad, las perlas de ferrita no son una solución universal para cada problema de EMI y, en algunos casos, colocarlas en un circuito creará un nuevo problema de EMI debido al comportamiento de bandstop de las perlas de ferrita reales. Suprimir la EMI es más complejo que simplemente colocar una perla de ferrita en un cable de alimentación o en el conductor de alimentación de un CI, como describe Kella Knack en un artículo reciente. Típicamente, necesitarás más de una solución que apunte a diferentes rangos de frecuencia, pero solo después de haber seguido algunas de las mejores prácticas de diseño para baja EMI.

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