أخبار

في عالمنا المثالي، تعد السلامة والجودة والأداء أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك، في كثير من الحالات، أصبحت تكلفة المكون النهائي، بما في ذلك الفريت، هي العامل الحاسم. تهدف هذه المقالة إلى مساعدة مهندسي التصميم في العثور على مواد فريت بديلة لتقليل يكلف.
يتم تحديد خصائص المواد الجوهرية المرغوبة والهندسة الأساسية من خلال كل تطبيق محدد. الخصائص المتأصلة التي تحكم الأداء في التطبيقات ذات مستوى الإشارة المنخفضة هي النفاذية (خاصة درجة الحرارة)، والخسائر الأساسية المنخفضة، والثبات المغناطيسي الجيد بمرور الوقت ودرجة الحرارة. وتشمل التطبيقات جودة عالية المحاثات، محاثات الوضع المشترك، النطاق العريض، المحولات المتطابقة والنبضية، عناصر هوائي الراديو، والمكررات النشطة والسلبية. بالنسبة لتطبيقات الطاقة، تعد كثافة التدفق العالية والخسائر المنخفضة في تردد التشغيل ودرجة الحرارة من الخصائص المرغوبة. وتشمل التطبيقات إمدادات الطاقة في وضع التبديل لـ شحن بطاريات المركبات الكهربائية، ومكبرات الصوت المغناطيسية، ومحولات DC-DC، ومرشحات الطاقة، وملفات الإشعال، والمحولات.
الخاصية الجوهرية التي لها التأثير الأكبر على أداء الفريت الناعم في تطبيقات القمع هي النفاذية المعقدة [1]، والتي تتناسب مع ممانعة النواة. هناك ثلاث طرق لاستخدام الفريت كمثبط للإشارات غير المرغوب فيها (الموصلة أو المشعة) ).الأول، والأقل شيوعًا، هو بمثابة درع عملي، حيث يتم استخدام الفريت لعزل الموصلات أو المكونات أو الدوائر من بيئة المجال الكهرومغناطيسي الشارد المشع. في التطبيق الثاني، يتم استخدام الفريت مع عناصر سعوية لإنشاء تمريرة منخفضة المرشح، أي الحث - السعة عند الترددات المنخفضة والتبديد عند الترددات العالية. الاستخدام الثالث والأكثر شيوعًا هو عندما يتم استخدام نوى الفريت بمفردها لوصلات المكونات أو الدوائر على مستوى اللوحة. في هذا التطبيق، يمنع قلب الفريت أي تذبذبات و/أو طفيليات. أو يخفف من التقاط الإشارة أو الإرسال غير المرغوب فيه الذي قد ينتشر على طول أسلاك المكونات أو الوصلات البينية أو الآثار أو الكابلات. مقاومة تردد عالية بما يكفي لقمع التيارات عالية التردد. من الناحية النظرية، سيوفر الفريت المثالي مقاومة عالية عند ترددات EMI ومقاومة صفر في جميع الترددات الأخرى. في الواقع، توفر النوى الكابتة للفريت ممانعة تعتمد على التردد. يمكن الحصول على أقصى مقاومة بين 10 ميجا هرتز و500 ميجا هرتز اعتمادًا على مادة الفريت.
نظرًا لأنه يتوافق مع مبادئ الهندسة الكهربائية، حيث يتم تمثيل جهد التيار المتردد والتيار بواسطة معلمات معقدة، يمكن التعبير عن نفاذية المادة كمعلمة معقدة تتكون من أجزاء حقيقية وخيالية. ويتجلى ذلك في الترددات العالية، حيث تنقسم النفاذية إلى مكونين. يمثل الجزء الحقيقي (μ') الجزء التفاعلي، الذي يكون في الطور مع المجال المغناطيسي المتناوب [2]، بينما يمثل الجزء التخيلي (μ") الخسائر، التي تكون خارج الطور مع المجال المغناطيسي المتناوب.يمكن التعبير عنها كمكونات متسلسلة (μs'μs") أو في مكونات متوازية (μp'μp").توضح الرسوم البيانية في الأشكال 1 و2 و3 مكونات السلسلة للنفاذية الأولية المعقدة كدالة للتردد لثلاث مواد من الفريت.نوع المادة 73 عبارة عن فريت منغنيز-زنك، مغناطيسي أولي، الموصلية 2500. نوع المادة 43 عبارة عن فريت نيكل زنك بنفاذية أولية 850. نوع المادة 61 عبارة عن فريت نيكل زنك بنفاذية أولية 125.
بالتركيز على المكون التسلسلي للمادة من النوع 61 في الشكل 3، نرى أن الجزء الحقيقي من النفاذية، μs، يظل ثابتًا مع زيادة التردد حتى يتم الوصول إلى تردد حرج، ثم يتناقص بسرعة. وترتفع الخسارة أو μs ثم يصل إلى ذروته مع سقوط μs.هذا الانخفاض في μs يرجع إلى بداية الرنين المغنطيسي الحديدي.[3] وتجدر الإشارة إلى أنه كلما زادت النفاذية، كلما انخفض التردد.وقد لاحظ سنوك هذه العلاقة العكسية لأول مرة وأعطى الصيغة التالية:
حيث: ƒres = μs” التردد عند الحد الأقصى γ = النسبة الجيرومغناطيسية = 0.22 x 106 A-1 m μi = النفاذية الأولية Msat = 250-350 Am-1
نظرًا لأن نوى الفريت المستخدمة في مستوى الإشارة المنخفضة وتطبيقات الطاقة تركز على المعلمات المغناطيسية تحت هذا التردد، نادرًا ما ينشر مصنعو الفريت بيانات النفاذية و/أو الخسارة عند الترددات الأعلى. ومع ذلك، تعد بيانات التردد الأعلى ضرورية عند تحديد نوى الفريت لقمع التداخل الكهرومغناطيسي.
السمة التي تحددها معظم الشركات المصنعة للفريت للمكونات المستخدمة لقمع EMI هي المعاوقة. يمكن قياس المعاوقة بسهولة على محلل متاح تجاريًا مع قراءات رقمية مباشرة. ولسوء الحظ، يتم تحديد المعاوقة عادةً بتردد معين وهي عبارة عن عدد يمثل حجم المجمع ناقل المعاوقة. على الرغم من أن هذه المعلومات ذات قيمة، إلا أنها غالبًا ما تكون غير كافية، خاصة عند نمذجة أداء دائرة الفريت. ولتحقيق ذلك، يجب أن تكون قيمة المعاوقة وزاوية الطور للمكون، أو النفاذية المعقدة لمادة معينة، متاحة.
ولكن حتى قبل البدء في نمذجة أداء مكونات الفريت في الدائرة، يجب على المصممين معرفة ما يلي:
حيث μ'= الجزء الحقيقي من النفاذية المعقدة μ”= الجزء التخيلي من النفاذية المعقدة j = المتجه الوهمي للوحدة Lo= محاثة قلب الهواء
تعتبر معاوقة القلب الحديدي أيضًا عبارة عن مزيج متسلسل من المفاعلة الحثية (XL) ومقاومة الفقد (Rs)، وكلاهما يعتمد على التردد. سيكون للنواة غير المفقودة ممانعة تعطى من المفاعلة:
حيث: Rs = إجمالي مقاومة السلسلة = Rm + Re Rm = مقاومة السلسلة المكافئة بسبب الخسائر المغناطيسية Re = مقاومة السلسلة المكافئة لفقد النحاس
في الترددات المنخفضة، تكون معاوقة المكون حثية في المقام الأول. ومع زيادة التردد، تنخفض الحثية بينما تزيد الفواقد وتزداد المعاوقة الإجمالية. الشكل 4 عبارة عن مخطط نموذجي لـ XL وRs وZ مقابل التردد للمواد ذات النفاذية المتوسطة لدينا .
ثم تتناسب المفاعلة الحثية مع الجزء الحقيقي من النفاذية المعقدة، بواسطة Lo، محاثة قلب الهواء:
تتناسب مقاومة الخسارة أيضًا مع الجزء التخيلي من النفاذية المعقدة بنفس الثابت:
في المعادلة 9، يتم إعطاء المادة الأساسية بواسطة s' و s"، ويتم إعطاء الهندسة الأساسية بواسطة Lo. لذلك، بعد معرفة النفاذية المعقدة للفريتات المختلفة، يمكن إجراء مقارنة للحصول على المادة الأكثر ملاءمة عند المستوى المطلوب التردد أو نطاق التردد. بعد اختيار أفضل المواد، حان الوقت لاختيار أفضل مكونات الحجم. يظهر الشكل 5 التمثيل المتجه للنفاذية والمقاومة المعقدة.
تكون مقارنة الأشكال الأساسية والمواد الأساسية لتحسين المعاوقة واضحة إذا قدمت الشركة المصنعة رسمًا بيانيًا للنفاذية المعقدة مقابل التردد للمواد الفريتية الموصى بها لتطبيقات القمع. ولسوء الحظ، نادرًا ما تتوفر هذه المعلومات. ومع ذلك، توفر معظم الشركات المصنعة النفاذية الأولية والخسارة مقابل التردد منحنيات.من هذه البيانات يمكن استخلاص مقارنة بين المواد المستخدمة لتحسين المعاوقة الأساسية.
بالإشارة إلى الشكل 6، عامل النفاذية والتبديد الأولي [4] لمادة Fair-Rite 73 مقابل التردد، بافتراض أن المصمم يريد ضمان أقصى مقاومة بين 100 و900 كيلو هرتز. وقد تم اختيار المواد.73 ولأغراض النمذجة، المصمم أيضًا يحتاج إلى فهم الأجزاء التفاعلية والمقاومة لمتجه المعاوقة عند 100 كيلو هرتز (105 هرتز) و900 كيلو هرتز. ويمكن استخلاص هذه المعلومات من الرسم البياني التالي:
عند 100 كيلو هرتز μs ' = μi = 2500 و (Tan δ / μi) = 7 × 10-6 لأن Tan δ = μs ”/ μs' ثم μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43.8
تجدر الإشارة إلى أنه، كما هو متوقع، فإن μ" تضيف القليل جدًا إلى إجمالي متجه النفاذية عند هذا التردد المنخفض.مقاومة النواة هي في الغالب حثي.
يعرف المصممون أن القلب يجب أن يقبل السلك رقم 22 ويتناسب مع مساحة 10 مم × 5 مم. سيتم تحديد القطر الداخلي بـ 0.8 مم. لحل المعاوقة المقدرة ومكوناتها، حدد أولاً خرزة بقطر خارجي قدره 0.8 مم. 10 ملم وارتفاع 5 ملم:
Z= ωLo (2500.38) = (6.28 × 105) × .0461 × log10 (5/.8) × 10 × (2500.38) × 10-8 = 5.76 أوم عند 100 كيلو هرتز
في هذه الحالة، كما هو الحال في معظم الحالات، يتم تحقيق أقصى مقاومة باستخدام OD أصغر وطول أطول. إذا كان المعرف أكبر، على سبيل المثال 4 مم، والعكس صحيح.
يمكن استخدام نفس النهج إذا تم توفير مخططات المعاوقة لكل وحدة Lo وزاوية الطور مقابل التردد. وتمثل الأشكال 9 و10 و11 مثل هذه المنحنيات لنفس المواد الثلاثة المستخدمة هنا.
يرغب المصممون في ضمان أقصى مقاومة خلال نطاق التردد من 25 ميجا هرتز إلى 100 ميجا هرتز. تبلغ مساحة اللوحة المتاحة مرة أخرى 10 مم × 5 مم ويجب أن يقبل القلب سلكًا رقم 22 awg. بالرجوع إلى الشكل 7 لمعرفة مقاومة الوحدة Lo لمواد الفريت الثلاثة، أو الشكل 8 للنفاذية المعقدة لنفس المواد الثلاث، حدد المادة 850 ميكروي.[5]باستخدام الرسم البياني في الشكل 9، Z/Lo للمادة ذات النفاذية المتوسطة هو 350 × 108 أوم/ساعة عند 25 ميجاهرتز. قم بحل المعاوقة المقدرة:
تفترض المناقشة السابقة أن قلب الاختيار أسطواني. إذا تم استخدام قلوب الفريت للكابلات الشريطية المسطحة أو الكابلات المجمعة أو الألواح المثقبة، يصبح حساب Lo أكثر صعوبة، ويجب الحصول على طول مسار أساسي دقيق إلى حد ما وأرقام المساحة الفعالة لحساب محاثة قلب الهواء. ويمكن القيام بذلك عن طريق تقطيع القلب رياضياً وإضافة طول المسار المحسوب والمساحة المغناطيسية لكل شريحة. وفي جميع الحالات، فإن الزيادة أو النقصان في المعاوقة سوف يتناسب مع الزيادة أو النقصان في ارتفاع/طول نواة الفريت.[6]
كما ذكرنا، تحدد معظم الشركات المصنعة النوى لتطبيقات EMI من حيث المعاوقة، ولكن المستخدم النهائي عادة ما يحتاج إلى معرفة التوهين. والعلاقة الموجودة بين هاتين المعلمتين هي:
تعتمد هذه العلاقة على ممانعة المصدر المولد للضوضاء، ومقاومة الحمل المستقبل للضوضاء. وعادة ما تكون هذه القيم عبارة عن أرقام معقدة، يمكن أن يكون مداها لا نهائيًا، وليست متاحة بسهولة للمصمم. اختيار قيمة 1 أوم لممانعات الحمل والمصدر، والتي يمكن أن تحدث عندما يكون المصدر مصدر طاقة في وضع التبديل ويحمل العديد من دوائر المعاوقة المنخفضة، مما يبسط المعادلات ويسمح بمقارنة توهين قلوب الفريت.
الرسم البياني في الشكل 12 عبارة عن مجموعة من المنحنيات التي توضح العلاقة بين مقاومة حبة الدرع والتوهين للعديد من القيم المشتركة للحمل بالإضافة إلى مقاومة المولد.
الشكل 13 عبارة عن دائرة مكافئة لمصدر تداخل بمقاومة داخلية قدرها Zs.يتم إنشاء إشارة التداخل بواسطة المعاوقة التسلسلية Zsc للنواة القامعة ومقاومة الحمل ZL.
الشكلان 14 و15 عبارة عن رسوم بيانية للممانعة مقابل درجة الحرارة لنفس مواد الفريت الثلاثة. وأكثر هذه المواد ثباتًا هي المادة 61 مع انخفاض بنسبة 8% في الممانعة عند 100 درجة مئوية و100 ميجاهرتز. وفي المقابل، أظهرت المادة 43 مقاومة 25 % انخفاض في المعاوقة عند نفس التردد ودرجة الحرارة. يمكن استخدام هذه المنحنيات، عند توفيرها، لضبط مقاومة درجة حرارة الغرفة المحددة إذا كان التوهين عند درجات حرارة مرتفعة مطلوبًا.
كما هو الحال مع درجة الحرارة، تؤثر تيارات الإمداد DC و50 أو 60 هرتز أيضًا على نفس خصائص الفريت المتأصلة، والتي بدورها تؤدي إلى انخفاض المعاوقة الأساسية. الأشكال 16 و17 و18 هي منحنيات نموذجية توضح تأثير التحيز على مقاومة مادة الفريت يصف هذا المنحنى تدهور المعاوقة كدالة لشدة المجال لمادة معينة كدالة للتردد. وتجدر الإشارة إلى أن تأثير الانحياز يتضاءل مع زيادة التردد.
منذ أن تم تجميع هذه البيانات، قدمت Fair-Rite Products مادتين جديدتين. 44 لدينا عبارة عن مادة ذات نفاذية متوسطة من النيكل والزنك و31 عبارة عن مادة عالية النفاذية من المنغنيز والزنك.
الشكل 19 عبارة عن رسم بياني للممانعة مقابل التردد للخرزات من نفس الحجم في 31 و73 و44 و43 مادة. المادة 44 عبارة عن مادة 43 محسنة ذات مقاومة تيار مستمر أعلى، 109 أوم سم، وخصائص صدمة حرارية أفضل، واستقرار في درجة الحرارة و درجة حرارة كوري أعلى (Tc). تتميز المادة 44 بمقاومة أعلى قليلاً مقابل خصائص التردد مقارنة بمادة 43 لدينا. تُظهر المادة الثابتة 31 مقاومة أعلى من 43 أو 44 على نطاق تردد القياس بأكمله. تم تصميم 31 للتخفيف من حدة مشكلة الرنين الأبعاد التي تؤثر على أداء قمع التردد المنخفض لنوى المنغنيز والزنك الأكبر حجمًا وتم تطبيقها بنجاح على نوى قمع موصل الكابل والنوى الحلقية الكبيرة. الشكل 20 عبارة عن رسم بياني للمقاومة مقابل التردد لـ 43 و31 و73 مادة من أجل Fair - نوى Rite بـ 0.562″ OD، و 0.250 ID، و 1.125 HT.عند مقارنة الشكل 19 والشكل 20، تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة للنوى الأصغر، وللترددات التي تصل إلى 25 ميجاهرتز، فإن مادة 73 هي أفضل مادة كاتمة.ومع ذلك، كلما زاد المقطع العرضي الأساسي، انخفض الحد الأقصى للتردد.وكما هو موضح في البيانات في الشكل 20 فإن 73 هو الأفضل والتردد الأعلى هو 8 ميجا هرتز.ومن الجدير بالذكر أيضًا أن المادة الـ 31 تعمل بشكل جيد في نطاق التردد من 8 ميجا هرتز إلى 300 ميجا هرتز.ومع ذلك، باعتبارها فريت الزنك المنغنيز، تتمتع المادة 31 بمقاومة حجمية أقل بكثير تبلغ 102 أوم -سم، وتتغير ممانعة أكبر مع التغيرات الشديدة في درجات الحرارة.
محاثة قلب الهواء - Lo (H) الحث الذي سيتم قياسه إذا كان للقلب نفاذية موحدة وظل توزيع التدفق ثابتًا. الصيغة العامة Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 Ring Lo = .0461 N2 log10 (OD) /ID) Ht 10-8 (H) الأبعاد بالملليمتر
التوهين - A (dB) انخفاض سعة الإشارة في الإرسال من نقطة إلى أخرى. وهي نسبة سلمية لسعة الإدخال إلى سعة الخرج، بالديسيبل.
الثابت الأساسي – C1 (cm-1) مجموع أطوال المسار المغناطيسي لكل قسم من الدائرة المغناطيسية مقسومًا على المنطقة المغناطيسية المقابلة لنفس القسم.
الثابت الأساسي – C2 (cm-3) مجموع أطوال الدائرة المغناطيسية لكل قسم من الدائرة المغناطيسية مقسوماً على مربع المجال المغناطيسي المقابل لنفس القسم.
الأبعاد الفعالة لمنطقة المسار المغناطيسي Ae (cm2) وطول المسار le (cm) والحجم Ve (cm3) بالنسبة لهندسة أساسية معينة، من المفترض أن طول المسار المغناطيسي ومساحة المقطع العرضي وحجم يمتلك اللب الحلقي نفس خصائص المادة، ويجب أن يكون للمادة خصائص مغناطيسية تعادل اللب المعطى.
شدة المجال - H (Oersted) معلمة تميز مقدار شدة المجال.H = .4 π NI/le (Oersted)
كثافة التدفق - B (غاوسي) المعلمة المقابلة للمجال المغناطيسي المستحث في المنطقة الطبيعية لمسار التدفق.
الممانعة - Z (أوم) يمكن التعبير عن ممانعة الفريت من حيث نفاذيتها المعقدة. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs") (أوم)
ظل الخسارة - ​​tan δ ظل الخسارة للفريت يساوي مقلوب الدائرة Q.
عامل الخسارة - إزالة الطور tan δ/μi بين المكونات الأساسية لكثافة التدفق المغناطيسي وشدة المجال مع النفاذية الأولية.
النفاذية المغناطيسية - μ النفاذية المغناطيسية المستمدة من نسبة كثافة التدفق المغناطيسي وقوة المجال المتناوب المطبقة هي ...
نفاذية السعة، μa – عندما تكون القيمة المحددة لكثافة التدفق أكبر من القيمة المستخدمة للنفاذية الأولية.
النفاذية الفعالة، μe - عندما يتم إنشاء المسار المغناطيسي بواحدة أو أكثر من فجوات الهواء، فإن النفاذية هي نفاذية مادة متجانسة افتراضية من شأنها أن توفر نفس التردد.
In Compliance هو المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات والتعليم والإلهام لمحترفي الهندسة الكهربائية والإلكترونية.
الفضاء الجوي السيارات الاتصالات الإلكترونيات الاستهلاكية التعليم الطاقة وصناعة الطاقة تكنولوجيا المعلومات الطبية العسكرية والدفاع