חֲדָשׁוֹת

בעולם האידיאלי שלנו, הבטיחות, האיכות והביצועים הם בעלי חשיבות עליונה. עם זאת, במקרים רבים, העלות של הרכיב הסופי, כולל הפריט, הפכה לגורם הקובע. מאמר זה נועד לסייע למהנדסי תכנון למצוא חומרי פריט חלופיים להפחתה עֲלוּת.
תכונות החומר הפנימיות הרצויות וגיאומטריית הליבה נקבעות על ידי כל יישום ספציפי. המאפיינים המובנים השולטים בביצועים ביישומים ברמת אות נמוכה הם חדירות (במיוחד טמפרטורה), הפסדי ליבה נמוכים ויציבות מגנטית טובה לאורך זמן וטמפרטורה. היישומים כוללים Q high-Q משרנים, משרני מצב משותף, שנאי פס רחב, מותאם ודופק, אלמנטים של אנטנת רדיו, ומשחזרים אקטיביים ופסיביים. עבור יישומי חשמל, צפיפות שטף גבוהה והפסדים נמוכים בתדר ההפעלה ובטמפרטורה הם מאפיינים רצויים. היישומים כוללים ספקי כוח מתג עבור טעינת סוללות רכב חשמלי, מגברים מגנטיים, ממירי DC-DC, מסנני חשמל, סלילי הצתה ושנאים.
התכונה הפנימית בעלת ההשפעה הגדולה ביותר על ביצועי פריט רך ביישומי דיכוי היא החדירות המורכבת [1], שהיא פרופורציונלית לעכבה של הליבה. ישנן שלוש דרכים להשתמש בפריט כמדכא של אותות לא רצויים (מוליכים או מוקרנים ).הראשון, והפחות נפוץ, הוא כמגן מעשי, שבו משתמשים בפריטים לבידוד מוליכים, רכיבים או מעגלים מסביבת השדה האלקטרומגנטי המקרין. ביישום השני, משתמשים בפריטים עם אלמנטים קיבוליים ליצירת מעבר נמוך מסנן, כלומר השראות – קיבולי בתדרים נמוכים ופיזור בתדרים גבוהים. השימוש השלישי והנפוץ ביותר הוא כאשר משתמשים בליבות פריט לבד עבור מובילי רכיבים או מעגלים ברמת לוח. ביישום זה, ליבת הפריט מונעת כל תנודות טפיליות ו/ או מחליש קליט או שידור לא רצויים של אותות שעלולים להתפשט לאורך מובילי רכיבים או חיבורים, עקבות או כבלים. ביישומים השני והשלישי, ליבות פריט מדכאות EMI מוליך על ידי ביטול או הפחתה רבה של זרמים בתדר גבוה הנמשכים על ידי מקורות EMI. הכנסת פריט מספקת עכבת תדר גבוהה מספיק כדי לדכא זרמים בתדר גבוה. בתיאוריה, פריט אידיאלי יספק עכבה גבוהה בתדרי EMI ואפס עכבה בכל שאר התדרים. למעשה, ליבות מדכא פריט מספקות עכבה תלוית תדר. בתדרים מתחת ל-1 מגה-הרץ, ניתן להשיג עכבה מקסימלית בין 10 מגה-הרץ ל-500 מגה-הרץ בהתאם לחומר הפריט.
מכיוון שהוא תואם את עקרונות הנדסת החשמל, שבהם מתח זרם ומתח AC מיוצגים על ידי פרמטרים מורכבים, ניתן לבטא את החדירות של חומר כפרמטר מורכב המורכב מחלקים אמיתיים ודמיוניים. הדבר מודגם בתדרים גבוהים, כאשר החדירות מתפצלת לשני מרכיבים. החלק האמיתי (μ') מייצג את החלק התגובתי, שנמצא בשלב עם השדה המגנטי המתחלף [2], בעוד החלק הדמיוני (μ") מייצג את ההפסדים, שהם מחוץ לפאזה עם שדה מגנטי לסירוגין. אלה יכולים לבוא לידי ביטוי כרכיבים סדרתיים (μs'μs") או ברכיב מקביל (μp'μp"). הגרפים באיורים 1, 2 ו-3 מציגים את מרכיבי הסדרה של החדירות הראשונית המורכבת כפונקציה של התדירות עבור שלושה חומרי פריט. סוג חומר 73 הוא מנגן-אבץ פריט, המגנטי ההתחלתי המוליכות היא 2500. סוג חומר 43 הוא ניקל אבץ פריט עם חדירות ראשונית של 850. סוג חומר 61 הוא ניקל אבץ פריט עם חדירות התחלתית של 125.
בהתמקדות ברכיב הסדרתי של החומר Type 61 באיור 3, אנו רואים שהחלק האמיתי של החדירות, μs', נשאר קבוע בתדירות הולכת וגוברת עד שמגיעים לתדר קריטי, ואז יורד במהירות. ההפסד או μs" עולה ואז מגיע לשיא עם נפילות של μs. ירידה זו ב-μs' נובעת מהופעת תהודה פרומגנטית. [3] יש לציין שככל שהחדירות גבוהה יותר, כך יותר התדר נמוך יותר. קשר הפוך זה נצפה לראשונה על ידי סנאק ונתן את הנוסחה הבאה:
כאשר: תדר ƒres = μs” במקסימום γ = יחס גירומגנטי = 0.22 x 106 A-1 m μi = חדירות ראשונית Msat = 250-350 Am-1
מכיוון שליבות פריט המשמשות ביישומי אות וכוח נמוכים מתמקדות בפרמטרים מגנטיים מתחת לתדר זה, יצרני פריט מפרסמים רק לעתים רחוקות נתוני חדירות ו/או אובדן בתדרים גבוהים יותר. עם זאת, נתוני תדר גבוה יותר חיוניים בעת ציון ליבות פריט לדיכוי EMI.
המאפיין שרוב יצרני הפריט מציינים עבור רכיבים המשמשים לדיכוי EMI הוא עכבה. עכבה נמדדת בקלות על מנתח זמין מסחרי עם קריאה דיגיטלית ישירה. למרבה הצער, עכבה מצוינת בדרך כלל בתדר מסוים והיא סקלרית המייצגת את גודל המתחם וקטור עכבה.למרות שמידע זה הוא בעל ערך, לעתים קרובות הוא אינו מספיק, במיוחד בעת מודלים של ביצועי המעגל של פריטים. כדי להשיג זאת, ערך העכבה וזווית הפאזה של הרכיב, או החדירות המורכבת של החומר הספציפי, חייבים להיות זמינים.
אבל אפילו לפני שמתחילים לדגמן את הביצועים של רכיבי פריט במעגל, מעצבים צריכים לדעת את הדברים הבאים:
כאשר μ'= חלק ממשי של חדירות מורכבת μ”= חלק דמיוני של חדירות מורכבת j = וקטור דמיוני של יחידה Lo= השראות ליבת אוויר
העכבה של ליבת הברזל נחשבת גם לשילוב הסדרתי של התגובה האינדוקטיבית (XL) והתנגדות ההפסד (Rs), ששניהם תלויים בתדר. לליבה ללא הפסדים תהיה עכבה הניתנת על ידי התגובה:
כאשר: Rs = התנגדות סדרה כוללת = Rm + Re Rm = התנגדות סדרה שווה ערך עקב הפסדים מגנטיים Re = התנגדות סדרה שווה ערך עבור הפסדי נחושת
בתדרים נמוכים, העכבה של הרכיב היא בעיקר אינדוקטיבית. ככל שהתדר עולה, השראות יורדת בעוד ההפסדים גדלים והעכבה הכוללת גדלה. איור 4 הוא גרף טיפוסי של XL, Rs ו-Z לעומת תדר עבור החומרים החדירים הבינונית שלנו .
אז התגובה האינדוקטיבית פרופורציונלית לחלק האמיתי של החדירות המורכבת, לפי Lo, השראות ליבת האוויר:
התנגדות ההפסד היא גם פרופורציונלית לחלק הדמיוני של החדירות המורכבת באותו קבוע:
במשוואה 9, חומר הליבה ניתן על ידי µs' ו-µs", וגיאומטריית הליבה ניתנת על ידי Lo. לכן, לאחר הכרת החדירות המורכבת של פריטים שונים, ניתן לבצע השוואה כדי לקבל את החומר המתאים ביותר במידת הרצויה תדר או טווח תדרים.לאחר בחירת החומר הטוב ביותר, הגיע הזמן לבחור את הרכיבים בגודל הטוב ביותר.הייצוג הווקטורי של חדירות ועכבה מורכבים מוצג באיור 5.
השוואה בין צורות ליבה וחומרי ליבה לאופטימיזציה של עכבה היא פשוטה אם היצרן מספק גרף של חדירות מורכבת לעומת תדירות עבור חומרי פריט המומלצים ליישומי דיכוי. למרבה הצער, מידע זה זמין לעתים רחוקות. עם זאת, רוב היצרנים מספקים חדירות ראשונית ואובדן מול תדירות עקומות. מנתונים אלה ניתן לגזור השוואה בין חומרים המשמשים למיטוב עכבת הליבה.
בהתייחס לתרשים 6, גורם החדירות והפיזור הראשוני [4] של חומר Fair-Rite 73 לעומת תדר, בהנחה שהמעצב רוצה להבטיח עכבה מקסימלית בין 100 ל-900 קילוהרץ.73 חומרים נבחרו. למטרות דוגמנות, המעצב גם צריך להבין את החלקים התגובתיים וההתנגדות של וקטור העכבה ב-100 קילו-הרץ (105 הרץ) ו-900 קילו-הרץ. מידע זה יכול להיגזר מהתרשים הבא:
ב-100kHz μs ' = μi = 2500 ו- (Tan δ / μi) = 7 x 10-6 כי Tan δ = μs ”/ μs' ואז μs” = (Tan δ / μi) x (μi) 2 = 43.8
יש לציין שכצפוי, ה-μ" מוסיף מעט מאוד לוקטור החדירות הכולל בתדר נמוך זה. העכבה של הליבה היא ברובה אינדוקטיבית.
המעצבים יודעים שהליבה חייבת לקבל חוט #22 ולהתאים לחלל של 10 מ"מ x 5 מ"מ. הקוטר הפנימי יצוין כ-0.8 מ"מ. כדי לפתור את העכבה המשוערת ומרכיביה, תחילה בחר חרוז בקוטר חיצוני של 10 מ"מ וגובה של 5 מ"מ:
Z= ωLo (2500.38) = (6.28 x 105) x .0461 x log10 (5/.8) x 10 x (2500.38) x 10-8= 5.76 אוהם ב-100 קילו-הרץ
במקרה זה, כמו ברוב המקרים, עכבה מקסימלית מושגת על ידי שימוש ב-OD קטן יותר עם אורך ארוך יותר. אם המזהה גדול יותר, למשל 4 מ"מ, ולהיפך.
ניתן להשתמש באותה גישה אם ניתנות מגרשי עכבה ליחידת Lo וזווית פאזה מול תדר. איורים 9, 10 ו-11 מייצגים עקומות כאלה עבור אותם שלושה חומרים המשמשים כאן.
מעצבים רוצים להבטיח עכבה מקסימלית על פני טווח התדרים של 25 מגה-הרץ עד 100 מגה-הרץ. שטח הלוח הזמין הוא שוב 10 מ"מ x 5 מ"מ והליבה חייבת לקבל חוט #22 awg. בהתייחסות לאיור 7 עבור עכבת היחידה Lo של שלושת חומרי הפריט, או איור 8 עבור החדירות המורכבת של אותם שלושת החומרים, בחר את החומר 850 μi.[5] באמצעות הגרף באיור 9, ה-Z/Lo של חומר החדירות הבינוני הוא 350 x 108 אוהם/H ב-25 מגה-הרץ. פתרו את העכבה המשוערת:
הדיון הקודם מניח שהליבה הנבחרה היא גלילית. אם משתמשים בליבות פריט לכבלי סרט שטוח, כבלים ארוזים או לוחות מחוררים, החישוב של Lo הופך לקשה יותר, ויש לקבל נתוני נתיב הליבה מדויקים למדי ושטח יעיל. כדי לחשב את השראות ליבת האוויר. ניתן לעשות זאת על ידי חיתוך מתמטי של הליבה והוספת אורך הנתיב המחושב והשטח המגנטי עבור כל פרוסה. בכל המקרים, לעומת זאת, העלייה או הירידה בעכבה תהיה פרופורציונלית לעלייה או הירידה ב הגובה/אורך של ליבת הפריט.[6]
כאמור, רוב היצרנים מציינים ליבות עבור יישומי EMI במונחים של עכבה, אך משתמש הקצה בדרך כלל צריך לדעת את ההנחתה. הקשר הקיים בין שני הפרמטרים הללו הוא:
קשר זה תלוי בעכבה של המקור המייצר את הרעש ובעכבה של העומס הקולט את הרעש. ערכים אלו הם בדרך כלל מספרים מרוכבים, שטווחם יכול להיות אינסופי, ואינם זמינים בקלות למתכנן. בחירת ערך של 1 אוהם עבור עכבות העומס והמקור, מה שיכול להתרחש כאשר המקור הוא ספק כוח מתג וטועס מעגלי עכבה נמוכה רבים, מפשט את המשוואות ומאפשר השוואה של הנחתה של ליבות פריט.
הגרף באיור 12 הוא קבוצה של עקומות המציגות את הקשר בין עכבת חרוז המגן לבין הנחתה עבור ערכים נפוצים רבים של עומס פלוס עכבת גנרטור.
איור 13 הוא מעגל שווה ערך של מקור הפרעה עם התנגדות פנימית של Zs. אות ההפרעה נוצר על ידי עכבת הסדרת Zsc של ליבת המדכא ועכבת העומס ZL.
איורים 14 ו-15 הם גרפים של עכבה מול טמפרטורה עבור אותם שלושת חומרי פריט. החומר היציב ביותר מבין החומרים הללו הוא החומר 61 עם הפחתה של 8% בעכבה ב-100ºC ו-100 מגה-הרץ. לעומת זאת, החומר 43 הראה 25 % ירידה בעכבה באותה תדר ובאותה טמפרטורה. עקומות אלה, כאשר הן מסופקות, יכולות לשמש כדי לכוונן את עכבת טמפרטורת החדר שצוינה אם נדרשת הנחתה בטמפרטורות גבוהות.
כמו בטמפרטורה, זרמי אספקה ​​של DC ו- 50 או 60 הרץ משפיעים גם הם על אותן תכונות פריט טבועות, אשר בתורן מביאות לעכבת ליבה נמוכה יותר. איורים 16, 17 ו-18 הן עקומות אופייניות הממחישות את השפעת ההטיה על העכבה של חומר פריט .עקומה זו מתארת ​​את הפחתת העכבה כפונקציה של חוזק השדה עבור חומר מסוים כפונקציה של התדר. יש לציין כי השפעת ההטיה פוחתת ככל שהתדר עולה.
מאז שנאספו נתונים אלה, Fair-Rite Products הציגה שני חומרים חדשים. 44 שלנו הוא חומר חדירות ניקל-אבץ בינוני וה-31 שלנו הוא חומר חדירות גבוה של מנגן-אבץ.
איור 19 הוא גרף של עכבה מול תדר עבור חרוזים באותו גודל בחומרים 31, 73, 44 ו-43. החומר 44 הוא חומר משופר 43 עם התנגדות DC גבוהה יותר, 109 אוהם ס"מ, תכונות הלם תרמי טובות יותר, יציבות טמפרטורה ו טמפרטורת Curie גבוהה יותר (Tc). לחומר 44 יש מאפיינים מעט גבוהים יותר של עכבה לעומת תדר בהשוואה לחומר 43 שלנו. החומר הנייח 31 מציג עכבה גבוהה יותר מ-43 או 44 בכל טווח תדרי המדידה. ה-31 נועד להקל על בעיית תהודה מימדית המשפיעה על ביצועי דיכוי התדר הנמוך של ליבות מנגן-אבץ גדולות יותר, ויושמה בהצלחה על ליבות דיכוי מחברי כבלים וליבות טורואידיות גדולות. איור 20 הוא עלילה של עכבה מול תדר עבור חומרים 43, 31 ו-73 עבור הוגן - ליבות Rite עם 0.562 אינץ' OD, 0.250 ID ו-1.125 HT. כאשר משווים בין איור 19 ואיור 20, יש לציין כי עבור ליבות קטנות יותר, עבור תדרים של עד 25 מגה-הרץ, חומר 73 הוא החומר המדכא הטוב ביותר. עם זאת, ככל שחתך הליבה גדל, התדירות המקסימלית פוחתת. כפי שמוצג בנתונים באיור 20, 73 הוא הטוב ביותר. התדר הגבוה ביותר הוא 8 מגה-הרץ. ראוי גם לציין שחומר ה-31 מתפקד היטב בטווח התדרים שבין 8 מגה-הרץ ל-300 מגה-הרץ. עם זאת, בתור פריט אבץ מנגן, לחומר 31 יש התנגדות נפח נמוכה בהרבה של 102 אוהם -ס"מ, ושינויי עכבה רבים יותר עם שינויי טמפרטורה קיצוניים.
מילון מונחים השראות ליבת אוויר - Lo (H) השראות שתימדד אם לליבה הייתה חדירות אחידה ופיזור השטף נשאר קבוע.נוסחה כללית Lo= 4π N2 10-9 (H) C1 טבעת Lo = .0461 N2 log10 (OD /ID) Ht 10-8 (H) המידות הן במ"מ
הנחתה - A (dB) הפחתת משרעת האות בשידור מנקודה אחת לאחרת. זהו יחס סקלרי של משרעת כניסה לאמפליטודת מוצא, בדציבלים.
קבוע ליבה - C1 (cm-1) סכום אורכי הנתיב המגנטי של כל קטע של המעגל המגנטי חלקי האזור המגנטי המתאים של אותו קטע.
קבוע ליבה - C2 (cm-3) סכום אורכי המעגל המגנטי של כל קטע של המעגל המגנטי חלקי הריבוע של התחום המגנטי המתאים של אותו קטע.
הממדים האפקטיביים של שטח הנתיב המגנטי Ae (cm2), אורך הנתיב le (ס"מ) והנפח Ve (cm3) עבור גיאומטריית ליבה נתונה, ההנחה היא שאורך הנתיב המגנטי, שטח החתך והנפח של לליבה הטורואידית יש אותן תכונות חומר כמו החומר צריך להיות בעל תכונות מגנטיות שוות ערך לליבה הנתונה.
חוזק שדה - H (Oersted) פרמטר המאפיין את גודל עוצמת השדה. H = .4 π NI/le (Oersted)
צפיפות השטף - B (גאוסית) הפרמטר המקביל של השדה המגנטי המושרה באזור הנורמלי לנתיב השטף.
עכבה – Z (אוהם) ניתן לבטא את העכבה של פריט במונחים של חדירות מורכבת שלו. Z = jωLs + Rs = jωLo(μs'- jμs”) (ohm)
Loss Tangent – ​​tan δ טנג' ההפסד של פריט שווה להדדיות של מעגל Q.
Loss Factor – tan δ/μi הסרת שלב בין מרכיבים בסיסיים של צפיפות שטף מגנטי וחוזק שדה עם חדירות ראשונית.
חדירות מגנטית - μ החדירות המגנטית הנגזרת מהיחס בין צפיפות השטף המגנטי וחוזק השדה המתחלף המופעל הוא...
חדירות משרעת, μa - כאשר הערך שצוין של צפיפות השטף גדול מהערך המשמש לחדירות ראשונית.
חדירות אפקטיבית, μe - כאשר המסלול המגנטי בנוי עם מרווח אוויר אחד או יותר, החדירות היא החדירות של חומר הומוגני היפותטי שיספק את אותה חוסר רצון.
In Compliance הוא המקור המוביל לחדשות, מידע, חינוך והשראה עבור אנשי מקצוע בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה.
תעופה וחלל רכב תקשורת צרכנות אלקטרוניקה השכלה אנרגיה וכוח תעשיית מידע טכנולוגיה רפואית צבא והגנה