|
Trefwoorden |
Ferrieten in HOOGFREQUENT toepassingen (Eerder gepubliceerd in Electron # 9, 2001) Inleiding
en overzicht
Ferrieten worden in het algemeen toegepast om hun elektromagnetische eigenschappen, en wel speciaal om hun magnetisch-veld concentrerende eigenschap. Ferriet materialen kunnen derhalve zeer bruikbaar zijn in HF-toepassingen. Velen kennen toepassing van ferrietmateriaal in mantelstroom-smoorspoelen en ook bij ontstoringsproblemen duiken ferrieten regelmatig op. Verder vindt men deze materialen vaak toegepast in brede-band transformatoren en aanpassingsnetwerken. Ferriet is een keramisch product dat bestaat uit een verbinding van ijzeroxide met een andere metaaloxide. De poedervormige materialen worden eerst in een ruwe vorm geperst en vervolgens een of meerdere malen verhit tot temperaturen oplopend tot 1300 ˚C. Ferrieten voor specifieke toepassingen krijgen hun eigenschappen door het toegevoegde oxide van mangaan (Mn), zink (Zn), nikkel (Ni), kobalt (Co), koper (Cu), ijzer (Fe) of magnesium (Mg) en de precieze wijze van stoken (sinteren) en afkoelen. Globale materiaal eigenschappen
Voor spoelkernmaterialen worden meestal MnZn en NiZn combinaties met ijzeroxide gebruikt, waarbij de eerste met een hogere werkingsgraad (permeabiliteit, m > 1000) voor lagere frequenties worden ingezet (< 3 MHz; Ferroxcube codering 3xx) en de laatste met een lagere permeabiliteit (100 < m < 1000) voor hogere frequenties (> 1 MHz; Ferroxcube codering 4xx). Ferroxcube is de naam die de Philips ferrieten-afdeling heeft aangenomen nadat deze verzelfstandigd werd. We komen later terug op de toepassingsdetails van al deze ferriet soorten.
Natuurlijk zouden we graag een materiaal toepassen met een zo hoog mogelijke permeabiliteit en een zo groot mogelijk frequentiebereik. Helaas blijkt er een zekere wetmatigheid tussen deze twee eigenschappen te bestaan. Kijken we naar de ferrimagnetische ‘resonantie’, het punt waarop de impedantie van een spoel op dit materiaal een maximum vertoont, dan vinden we dat het product van de begin-permeabiliteit en deze resonantie frequentie voor alle ferriet materialen binnen zekere grenzen gelijk is. We moeten dan ook voor een zekere maximale-frequentie-eis genoegen nemen met de bijbehorende permeabiliteit. Ferriet materialen zien er na het sinteren allemaal ongeveer gelijk uit; het is een zeer hard, grijszwart materiaal waaraan niet meer is terug te zien waaruit het is samengesteld en welke behandeling het verder heeft ondergaan. Sommige fabrikanten komen ons (en misschien ook zichzelf) te hulp door deze materialen te omhullen met een kleurig laagje. We vinden daarom vaak (ring-)kern materiaal in allerlei vrolijke kleurtjes in de handel, die bij ferriet materiaal meestal helder van toon zijn. Helaas zijn deze kleuren niet gestandaardiseerd en heeft elke fabrikant zijn eigen codes of levert uitsluitend blank materiaal. Ook bij dezelfde fabrikant kunnen de kleuren per partij nog enigszins afwijken, zodat het toch vaak nodig blijkt om het ware materiaal zelf vast te stellen. Dit geldt te meer daar in nieuwe series deze kleurcoderingen zijn vervangen door een uniform, beige-kleurig parylene. De verschillende kernmaterialen hebben een sterk uiteenlopende elektrische weerstand. Deze soortelijke weerstand ligt in de orde van Ω.m (ijzerpoeder, MnZn) tot meer dan 100 kW.m (NiZn). De kleurige laag (een nylon type (parylene C bij Ferroxcube) zorgt daarom ook voor een goede elektrische isolatie met de kern, zodat wikkelingen niet worden kortgesloten op de vaak scherpe randen bij materiaal met een lage weerstand. Waar blanke materialen worden toegepast verdient het daarom in het algemeen aanbeveling om eerst een laagje isolatie (band) aan te brengen voordat met wikkelen wordt begonnen. Verder is bij materialen met een lage weerstand de invloed van de kern ook merkbaar in de toegenomen waarde van de parasitaire capaciteit, die parallel aan de spoel wordt gemeten.
De magnetisch-veld concentrerende
eigenschap van ferriet wordt de permeabiliteit genoemd. Deze permeabiliteit
heeft de eigenschap om toe te nemen met de temperatuur; een verandering in de
m
van 10 eenheden per ˚C is geen uitzondering. Dit effect kan gunstig zijn
bij gebruik in smoorspoelen en transformatoren maar bepaald ongunstig bij
gebruik in spoelen. Verder valt de m boven een bepaalde
temperatuur sterk terug (de Curie temperatuur) en dat is altijd ongunstig,
tenzij expliciet gebruikt als indicator. Gelukkig ligt dit Curie punt altijd
boven de Uiterlijk nauwelijks van ferrietkernen te onderscheiden zijn ijzerpoeder kernmaterialen. IJzerpoeder (Ferroxcube codering 2Pxx) heeft doorgaans een veel lagere permeabiliteit (2 < m < 100) maar ook een hoger ‘verzadigingsplafond’. Oudere ijzerpoeder materialen hadden vaak een lagere kwaliteitsfactor (Q < 20) maar dit werd verbeterd in meer moderne soorten. Het nieuwere Carbonyl-type ijzerpoedermateriaal is bedoeld voor hogere frequenties en haalt daar ook een hogere Q. Het LF ijzerpoeder materiaal wordt meestal gebruikt in toepassingen waar grote stromen kunnen worden verwacht, b.v. netfilters. Ook van dit ijzerpoeder materiaal worden kernen met ietwat verschillende eigenschappen geproduceerd. Ter onderscheiding en ditmaal ook als roest- bescherming, worden weer gekleurde coatings toegepast, nu echter meestal donker van toon. Meer informatie over dit laatste materiaal is te vinden in het hoofdstuk over ijzerpoeder spoelkernen. Na bovenstaande inleiding vinden we in tabel 0 een overzicht van enkele veel gebruikte groepen van materialen en hun globale eigenschappen. De ferrietgroep
van de Mangaan-Zink (MnZn) ferrieten kenmerkt zich
door een (zeer) hoge permeabiliteit (mi) en een lage
ferrimagnetische resonantie frequentie (fr).
Toepassingen vinden we vaak bij spoelen in het LF gebied ('vroeger' in de
telefonie) en nog steeds voor ontstoringsdoeleinden (Electro-Magnetische
Compatibiliteit). Bij de groep van de Nikkel-Zink (NiZn) ferrieten vinden we een gemiddeld hoge
permeabiliteit en een hoge ferrimagnetische resonantie frequentie. Deze groep
is bij uitstek geschikt voor toepassingen in transformatoren en spoelen in
het HF gebied. De ijzerpoeder groep vertoont een lagere
permeabiliteit en lage toepassingsfrequentie. Dat we dit (al wat oudere)
materiaal toch nog wel tegen komen komt door de relatief hoge
verzadigingstolerantie (zie Bsat). Hierdoor vinden
we dit materiaal veelal toegepast in laag-frequentie
transformatoren, b.v. voor netspanningdoeleinden. De carbonyl
materialen vertonen de laagste temperatuur coëfficiënt (Tco)
maar ook de laagste permeabiliteit en (daarom) de hoogste
toepassingsfrequentie. Dit materiaal is hierdoor geschikt voor toepassingen
in hoog-stabiele spoelen in het lagere HF gebied en in transformatoren voor
de hogere HF banden. Voor het gehele HF gebied kunnen ze meestal niet
concurreren tegen de groep van de NiZn ferrieten. Een hoge permeabiliteit hangt wetmatig
samen met een lage ferrimagnetische resonantie frequentie en daarom zullen we
dus steeds een optimaal compromis moeten zien te vinden voor onze toepassing. Er is verder een groot verschil in het temperatuurbereik
van de diverse materialen. De maximale toepassingstemperatuur van de ferrietgroepen hangt samen met de z.g. Curie-temperatuur,
waarboven het materiaal zijn prettige, hoge-μ eigenschappen verliest. De
ijzerpoeder materialen kennen een maximale temperatuur die samenhangt met het
productieproces. Hierbij wordt ijzerpoeder met een bindermateriaal tot
uitharding gebracht en juist dit laatste beperkt de maximale
toepassingstemperatuur tot ca
Tabel 0: Globaal overzicht van de toepassingsgebieden. Enkele materialen Een kleine greep uit de vele verschijningsvormen uit de ferrietgroep (NiZn en MgZn) vinden we in de navolgende foto. Vormen variëren van de bekende ringkernen, via de meergatskernen (varkensneusje) en ferriet staf tot aan de meer specifieke vormen, die ook geproduceerd worden op specificatie van de toepassingsfabrikant (b.v. afbuig-"schalen" in TV beeldbuizen en beeldmonitoren).
Enkele ferriet ringkernen en toepassingsfactoren Hieronder vinden we een overzicht van veel gebruikte (ring-kern) ferriet materialen en de toepassingsfactor die de uiteindelijke zelfinductie bepaalt, samen met het aantal windingen. De tabel is beslist niet uitputtend. De genoemde kleuren zijn die van de fabrikant Ferroxcube en kunnen wat anders uitvallen per productie-eenheid. Tegenwoordig is deze kleurcodering vervangen door een uniforme beige coating. De toepassing van de getalletjes volgt uit een voorbeeld, direct na te tabel. Let op: De gevonden waarden voor de zelfinductie gelden zolang het materiaal op een (veel) lagere frequentie wordt gebruikt dan zijn ferrimagnetische resonantie frequentie. Voor gebruik op hogere frequenties dienen we rekening te houden met de frequentie-afhankelijke grootheden in tabel 2.
Tabel
1: Ringkernen en de toepassingsfactor. Toepassing van tabel 1 Stel dat we voor een filter een
zelfinductie nodig hebben van 10 milli-Henri en we
vinden in de junkbox een oranje ferrietring
met afmetingen 25,8 x14 x _____ _________________ n = \/ L / AL = \/ 10 .10 -3 / 5620 .10 -9 = 42 windingen leggen voor 10 mH. We hoeven dus niet eens erg dun draad te vinden om deze spoel te kunnen maken. We kunnen tabel 1 gebruiken voor frequenties beneden enkele tientallen kilohertz en bij kleine uitsturingen. Als we nooit naar hogere frequenties gaan, hoeven we niet verder te lezen en kunnen we volstaan met het inslaan van een voorraadje oranje kernen van diverse afmetingen (3E25: hoogste permeabiliteit uit onze tabel, hoewel Ferroxcube en andere fabrikanten nog wel hogere kunnen maken voor specifieke LF toepassingen). Ferrietmateriaal op hogere frequenties Op hogere frequenties, d.w.z. op frequenties die hoger zijn dan ca 1/10 van de ferrimagnetische resonantie frequentie (zie gegevens van de fabrikant) kunnen we niet meer volstaan met de gegevens uit tabel 2. We dienen nu ook de frequentie afhankelijke eigenschappen van de permeabiliteit en de verliezen mee in beschouwing te nemen in hun onderlinge verhouding. Hiervoor geeft tabel 2 een overzicht van enkele veel gebruikte materialen. Voor detail informatie over de betekenis van de diverse grootheden en hun toepassing gelieve men het hoofdstuk "Achtergronden en materiaal eigenschappen" te raadplegen. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
