Chociaż ferryty mają niewielką przewodność elektryczną lub nie mają jej wcale, pełnią ważną rolę w elektronice. Elementy te, wykonane zazwyczaj z tlenków metali, mają specjalne właściwości magnetyczne, które można wykorzystać w szczególności do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych. Dzięki temu rdzenie ferrytowe stały się nieodzowną częścią elektroniki.
Z niniejszego poradnika dowiesz się, jak zbudowane są te komponenty, do jakich zastosowań szczególnie się nadają i na co należy zwrócić uwagę podczas ich instalacji.
Ferryt powstaje w wyniku reakcji tlenku żelaza - powszechnie znanego jako rdza - z wieloma innymi metalami, w tym magnezem, aluminium, barem, manganem, miedzią, niklem, kobaltem, a nawet samym żelazem. Ceramiki te wykazują formę magnetyzmu znaną jako ferrimagnetyzm, która różni się od ferromagnetyzmu żelaza, kobaltu i niklu.
W przypadku ferrytu elementy magnetyczne atomów są ustawione w dwóch lub trzech różnych kierunkach. Prowadzi to do częściowego tłumienia pola magnetycznego, przez co ferryty są ogólnie mniej wytrzymałe niż materiały ferromagnetyczne.
Najważniejsze właściwości ferrytów obejmują wysoką przenikalność magnetyczną i wysoką oporność elektryczną. Wysoka przenikalność - tj. zdolność do przewodzenia pola magnetycznego - jest szczególnie pożądana w urządzeniach takich jak anteny. Z kolei wysoka rezystancja elektryczna jest korzystna w rdzeniach transformatorów, ponieważ pozwala ograniczyć prądy wirowe.
Ze względu na odporność na rozmagnesowanie, ferryty można podzielić na dwa rodzaje: ferryty miękkie i twarde.
Twarde ferryty mają wysoką siłę koercji tj. mogą wytrzymać zewnętrznie przyłożone pole magnetyczne bez rozmagnesowania. Twarde rdzenie ferrytowe są zatem odpowiednie do produkcji magnesów trwałych, na przykład w głośnikach i silnikach.
Miękkie ferryty natomiast nie są w stanie wytrzymać zewnętrznie przyłożonego pola magnetycznego ze względu na ich niską koercję. Można je łatwo rozmagnesować, po prostu zmieniając ich namagnesowanie i oddziaływanie jako przewodnika pola magnetycznego. Miękkie ferryty są zatem wykorzystywane do produkcji rdzeni ferrytowych w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości.
W rdzeniach z miękkiego ferrytu wysoka przenikalność magnetyczna jest wykorzystywana do efektywnego przewodzenia i skupiania pól magnetycznych. W obwodach i systemach wysokiej częstotliwości są one wykorzystywane na przykład jako elementy filtrów i anten.
Przepływ prądu przez taki rdzeń generuje strumień magnetyczny. Energia elektryczna jest przekształcana w energię magnetyczną. Przy zmianie natężenia prądu strumień magnetyczny również ulega modyfikacji, ponieważ jest przekształcany z powrotem w energię elektryczną za pomocą indukcji elektromagnetycznej.
Powszechnym zastosowaniem jest tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych - w skrócie EMI - lub zakłóceń pola elektromagnetycznego w kablach i obwodach. Gdy przewód jest otoczony miękkim rdzeniem ferrytowym, wysoka przenikalność magnetyczna ferrytu powoduje, że sygnały o wysokiej częstotliwości są przechwytywane w polu magnetycznym rdzenia ferrytowego i przekształcane w ciepło. Pomaga to ograniczyć rozchodzenie w kablu sygnałów zakłócających o wysokiej częstotliwości.
Rdzenie ferrytowe są stosowane jako rdzenie magnetyczne w transformatorach i cewkach indukcyjnych. Ich wysoka przenikalność umożliwia lepsze połączenie między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym transformatora, co zwiększa wydajność i jednocześnie zmniejsza straty spowodowane przez rdzeń. Rozwiązanie to jest szczególnie przydatne w zasilaczach impulsowych i innych aplikacjach pracujących z wysokimi częstotliwościami.
Rdzenie ferrytowe są dostępne w różnych wersjach, z których każda jest zoptymalizowana pod kątem konkretnych zastosowań. Toroidalne rdzenie ferrytowe, np. są zamknięte i dlatego zapewniają dobre ekranowanie pola magnetycznego. Typowe zastosowania obejmują cewki indukcyjne i transformatory, ale mogą być również używane jako ekranujące bariery fal. Do takich zastosowań można również wykorzystać rdzenie w kształcie E lub EE, w kształcie U i UI oraz w kształcie toroidalnym, w zależności od układu obwodu i konstrukcji urządzenia.
Długie rdzenie o kształcie pręta są często używane w antenach i w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, podobnie jak rdzenie cylindryczne. Te drugie najczęściej posiadają otwartą szczelinę powietrzną i są mniej skuteczne w ekranowaniu pola magnetycznego niż rdzenie zamknięte. Płaskie płytki ferrytowe wykorzystywane bywają jako ekranowanie elektromagnetyczne przed zakłóceniami wysokiej częstotliwości w obudowach i na płytkach drukowanych.
Rdzenie ferrytowe z tulejami kablowymi są prawdopodobnie najbardziej widoczną formą ekranowania EMI. Zostały one zaprojektowane w taki sposób, aby można było przeprowadzić przez nie kable. Te filtry, znane jako ferryty uchylne, są mocowane za pomocą zatrzasku, zwykle do kabli zasilających lub kabli do transmisji danych.
Natomiast rdzenie ferrytowe w konstrukcji SMD pozostają niemal niewidoczne. Mają niewielkie rozmiary i wyglądem przypominają rezystory do montażu powierzchniowego. Rdzenie ferrytowe SMD są często stosowane w kompaktowych, wysoce zintegrowanych obwodach i urządzeniach, na przykład do tłumienia sygnałów zakłócających o wysokiej częstotliwości na ścieżkach przewodzących. Podobnie jednak jak ich duże odpowiedniki THT, nadają się one również do filtrowania sygnałów w aplikacjach o wysokiej częstotliwości. Tam mogą działać jako elementy pasmowoprzepustowe lub pasmowozaporowe. Inne możliwe zastosowania obejmują dopasowanie impedancji, regulację napięcia i tłumienie szumów.
Instalacja rdzeni ferrytowych zależy od różnych czynników, takich jak projekt, zastosowanie i specyficzne wymagania. Przede wszystkim rdzeń ferrytowy powinien być odpowiedni do zamierzonego zastosowania, szczególnie w odniesieniu do zakresu częstotliwości i wymaganej impedancji. Miejsce montażu jest również ważne dla skuteczności. Rdzeń ferrytowy, na przykład jako filtr przeciwzakłóceniowy do tłumienia zakłóceń EMI, powinien być zainstalowany jak najbliżej źródła zakłóceń lub urządzenia zakłócającego.
Jeżeli wymagane są cewki na rdzeniu toroidalnym, rdzeniu ferrytowym toroidalnym i innych formach ferrytu, liczba zwojów odgrywa znaczącą rolę w indukcyjności, a tym samym we właściwościach filtra.
Niektóre rdzenie ferrytowe są delikatne. Dlatego podczas montażu nie należy stosować nadmiernych naprężeń mechanicznych, aby uniknąć pęknięć lub złamań. Generowanie ciepła musi być również brane pod uwagę w przypadku niektórych funkcji. Konieczne jest zapewnienie wystarczającej wentylacji.
Co oznacza wartość AL dla rdzenia ferrytowego?
Wartość AL wskazuje indukcyjność rdzenia na liczbę zwojów w nanohenrach. To jednostka miary zdolności rdzenia ferrytowego do magazynowania energii magnetycznej. Wartość ta jest ważna dla transformatorów HF, cewek indukcyjnych w zasilaczach impulsowych lub filtrach. Wyższa wartość oznacza zwykle, że dla danej cewki indukcyjnej wymagana jest mniejsza liczba zwojów, co pozwala zaoszczędzić zarówno materiał, jak i miejsce. Jednak często prowadzi to do wyższych strat rdzenia przy wysokich częstotliwościach.