Jak działają rdzenie ferrytowe oraz jak wybrać odpowiedni

Czasami chciałbym widzieć fale elektromagnetyczne. Uczyniłoby to wykrywanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) znacznie łatwiejszym. Zamiast zajmować się skomplikowanymi układami i analizatorami sygnałów, mógłbym po prostu spojrzeć i zobaczyć, o co to całe zamieszanie. Chociaż możesz nie być w stanie zobaczyć zakłóceń, czasami słyszysz je, gdy przechodzą przez obwody audio. Jednym z możliwych rozwiązań dla tego rodzaju interferencji jest rdzeń ferrytowy. Niestety, rdzenie ferrytowe mogą wydawać się nieco tajemnicze. By móc je właściwie wykorzystać, będziesz musiał zrozumieć, jakie są ich charakterystyki elektromagnetyczne oraz jak zmieniają się podczas użytkowania. Gdy opanujesz kryjącą się za nimi teorię, będziesz musiał starannie dobrać jeden do swojej płytki drukowanej. Wybierając niewłaściwy rdzeń możesz skończyć z większymi problemami niż te, które naprawiłeś.

Teoria działania rdzeni ferrytowych

Rdzenie ferrytowe są wykorzystywane celem tłumienia sygnałów o wysokich częstotliwościach w komponentach elektronicznych. Można przez to myśleć o nich jak o induktorach, lecz są one nieco bardziej skomplikowane. Uproszczony model rdzenia ferrytowego pomoże ci zrozumieć jego charakterystykę częstotliwościową, jednakże te atrybuty mogą ulec zmianie wraz z napięciem oraz temperaturą.

Rdzeń ferrytowy można zamodelować jako kondensator, induktor oraz rezystor, połączone równolegle, z rezystorem szeregowym przed nimi. Rezystor szeregowy reprezentuje opór stawiany prądowi stałemu. Induktor jest podstawowym komponentem tłumiącym sygnały o wysokich częstotliwościach. Rezystor równoległy oznacza straty prądu zmiennego. Kondensator przedstawia pojemność pasożytniczą. Spoglądając na krzywą impedancji od częstotliwości rdzenia ferrytowego można zauważyć, że impedancja, która jest głównie rezystancyjna, jest ekstremalnie wysoka tylko w wąskim paśmie. W tej części dominuje indukcyjność rdzenia. Powyżej tego pasma pojemność pasożytnicza przejmuje i szybko zmniejsza impedancję wysokiej częstotliwości.

Rdzenie są zwykle przeznaczone dla konkretnego prądu zmiennego. Natężenia powyżej określonej wartości mogą uszkodzić element. Kłopotliwe jest to, że na to ograniczenie ogromny wpływ ma ciepło. Wraz ze zwiększającą się temperaturą prąd znamionowy szybko maleje. Prąd znamionowy wpływa również na impedancję ferrytu. Wraz ze wzrostem prądu zmiennego rdzeń ferrytowy ulega “nasyceniu”, tracąc indukcyjność. Przy stosunkowo wysokich natężeniach prądu, nasycenie może zredukować impedancję nawet o 90%.

^{Natężenie prądu może zmienić impedancję rdzenia}

Jak wybrać właściwy rdzeń

Teraz, gdy poznałeś już ferrytową teorię, nadszedł czas by wybrać odpowiedni rdzeń dla twojego obwodu. To całkiem proste, musisz tylko zwrócić uwagę jego specyfikację.

Wiele osób wie, że rdzenie ferrytowe “tłumią wysokie częstotliwości”. Rdzenie nie działają jednak jak szerokopasmowy filtr dolnoprzepustowy, ponieważ mogą pomóc jedynie w zatrzymaniu określonego zakresu częstotliwości. Musisz dobrać ferryt, dla którego niepożądane przez ciebie częstotliwości znajdują się w jego paśmie rezystancyjnym. Wystarczy odrobina poniżej lub powyżej pasma i rdzeń nie będzie miał odpowiedniego efektu.

Powinieneś również sprawdzić, czy producent może udostępnić ci krzywe impedancji od obciążenia dla rdzenia. Jeśli prąd obciążenia jest bardzo wysoki, będziesz musiał wybrać rdzeń, który będzie w stanie pracować bez zostania nasyconym i utraty impedancji.

Uwagi

Rdzenie ferrytowe są w zasadzie obciążeniami rezystancyjnymi o wysokich częstotliwościach, przez co mogą powodować kilka problemów w twoim obwodzie. Umieszczając rdzeń musisz zastanowić się nad spadkami napięcia oraz odprowadzeniem ciepła.

W dniach obwodów o wyższym napięciu jego spadek nie był wielkim problemem. Obecnie wiele obwodów niskonapięciowych pracuje na napięciach poniżej 2 V. Na tym poziomie nie możesz pozwolić sobie na duże straty. Rdzenie ferrytowe zawsze powodują spadki napięcia DC w twoim obwodzie. Mogą nie wydawać się duże, ale jeśli twoje układy scalone (IC) mają krótki stan wysokiego poboru prądu, strata może stać się znacząca. Umieść swoje rdzenie ferrytowe tam, gdzie spadki napięcia nie spowodują problemów.

Ponieważ rdzenie ferrytowe są rezystancyjne przy wysokich częstotliwościach, rozpraszają one pochłoniętą energię przede wszystkim jako ciepło. Niekoniecznie stanowi ono problem, lecz jeśli zapomnisz o nim podczas projektowania aktywnego lub pasywnego systemu chłodzenia, ciepło może stać się utrapieniem. Jeśli twój system jest szczególnie “hałaśliwy” oraz rdzeń będzie absorbował wiele wysokich częstotliwości, to ciepło może stać szczególnie problematyczne. Pamiętaj, aby wziąć pod uwagę odprowadzenie ciepła wytwarzanego przez rdzeń.

^{Również temperatura może zmienić impedancję rdzenia.}

Rdzenie ferrytowe mogą być całkiem użyteczne, lecz tylko jeśli zrozumiesz, jak dokładnie działają. Pamiętaj, że tłumią one sygnały w stosunkowo wąskim paśmie, a ich skuteczność zależy od temperatury oraz obciążenia. By najlepiej wykorzystać rdzeń ferrytowy, powinieneś upewnić się, że spełnia on twoje dokładne wymagania. Następnie, umieszczając go, upewnij się, że wziąłeś pod uwagę spadek napięcia oraz generowane ciepło.

Radzenie sobie z takimi rzeczami jak rdzenie ferrytowe może być trudne, lecz projektowanie układu już nie. Altium Designer to najnowocześniejsze oprogramowanie do projektowania płytek PCB wyposażone w narzędzia, które umożliwią ci zbudowanie optymalnego układu. Posiada również dodatki, takie jak analizator sieci zasilającej, który pomoże uporać się z problemami takimi jak spadek napięcia oraz odprowadzenie ciepła.

Masz więcej pytań dotyczących rdzeni ferrytowych? Skontaktuj się z ekspertem z firmy Altium.