Optimierung elektronischer Schaltungen – Die Rolle von Ferritkernen bei EMI-Filterung und Stromversorgung

Ferritkerne sind Elemente in fortschrittlichen elektronischen Schaltungen, insbesondere im Kontext der Eliminierung elektromagnetischer Störungen (EMI) und der Optimierung von Stromversorgungs-Schaltungen. Ihre magnetischen Eigenschaften und vielfältigen Anwendungen machen sie unverzichtbar in Projekten im Zusammenhang mit Systemen auf Leiterplatten (PCB). Die modernen Anforderungen an die Miniaturisierung elektronischer Geräte und deren gesteigerte Leistung erfordern den Einsatz fortschrittlicher Filtertechnologien, bei denen Ferritkerne eine wichtige Rolle spielen.

Herausforderungen bei der EMI-Filterung

Elektromagnetische Störungen stellen eine ernsthafte Bedrohung für das ordnungsgemäße Funktionieren elektronischer Schaltungen dar, insbesondere in Umgebungen mit hoher Gerätedichte. Filter, die Ferritkerne verwenden, ermöglichen eine effektive Dämpfung von Störungen und beseitigen deren Einfluss auf empfindliche Komponenten. Die Herausforderungen in diesem Bereich umfassen die Erfüllung der EMC-Normen (Electromagnetic Compatibility), die den Einsatz von Elementen erfordern, die leitungsgebundene und strahlende Störungen effektiv reduzieren. Die Miniaturisierung von Filterkomponenten ist in modernen Geräten wie IoT oder Medizinelektronik unerlässlich, die kompakte Lösungen ohne Kompromisse bei der Effizienz erfordern. Darüber hinaus erzeugen moderne Geräte Störungen in einem breiten Frequenzbereich, was den Einsatz von Kernen mit entsprechend ausgewählten magnetischen Eigenschaften erfordert.

Ferritkerne - Technologische Grundlagen

Ferritkerne sind keramische Materialien mit hoher elektrischer Widerstandsfähigkeit und geeigneten magnetischen Eigenschaften. Daher finden sie Anwendung in einer Reihe von Filter- und Energietechnologien. Es gibt zwei Hauptklassen von Ferriten: weiche und harte Ferrite. Im Kontext der EMI-Filterung werden häufig weiche Ferrite (z. B. MnZn, NiZn) verwendet, die geringe Hysteresverluste bieten. Die Kerne können verschiedene Formen annehmen, wie Toroide, E-Kerne oder Riegel mit speziellen Profilen, was ihre magnetischen Eigenschaften und die Dämpfungseffizienz beeinflusst.

Ferritkerne in EMI-Filtern

EMI-Filter mit Ferritkernen werden verwendet, um sowohl leitungsgebundene Störungen in Stromversorgungsleitungen als auch in Signalleitungen zu eliminieren. Ferritperlen sind winzige Elemente, die direkt auf den Leiterplatten (PCBs) montiert werden und hochfrequente Störungen dämpfen, während sie die Signalintegrität in niedrigen Frequenzbereichen bewahren. LC-Filter mit Ferritkernen kombinieren Induktivitäten auf Ferritkernen mit Kondensatoren und bilden effektive Tiefpassfilter, die das Gerät von Störungen aus dem Stromnetz isolieren. Ferritkerne werden auch in Strom- und Signalleitungen verwendet, um Störungen zu dämpfen, die von der äußeren Umgebung eingeführt werden.

Optimierung von Stromversorgungs-Schaltungen mit Ferritkernen

Ferritkerne finden auch Anwendung in Transformatoren und Spannungswandlern, wo sie die Effizienz und Stabilität verbessern. Impulstransformatoren können dank Ferritkernen bei hohen Frequenzen arbeiten, was ihre Größe verringert und die Energieeffizienz steigert. Induktivitäten mit Ferritkernen sind entscheidend für die Verringerung von Leistungsverlusten und die Verbesserung der dynamischen Eigenschaften von DC-DC-Wandlern. Die Optimierung von Designs erfordert den Einsatz von Kernen mit geeigneten Parametern, wie einer hohen Sättigungsflussdichte, um eine Sättigung bei hohen Strömen zu verhindern.

Praktische Aspekte der Auswahl von Ferritkernen

Bei der Gestaltung von Filtern und Stromversorgungs-Schaltungen mit Ferritkernen müssen Ingenieure wichtige Parameter wie die Betriebsfrequenz und Energieverluste berücksichtigen. Die richtige Auswahl des Ferritmaterials hängt vom Frequenzbereich der Störungen oder der Versorgungs-Signale ab. Die Miniaturisierung von Geräten erfordert den Einsatz kompakter Kerne mit hoher magnetischer Effizienz.

Zukünftige Trends bei der Anwendung von Ferritkernen

Der technologische Fortschritt im Bereich der Materialien und Fertigungstechnologien eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten für Ferritkerne. Forschungen an nanostrukturierten Ferriten und Verbundwerkstoffen führen zur Herstellung von Kernen mit besseren Dämpfungseigenschaften und geringeren Verlusten. In IoT-Geräten müssen die Kerne kleine Abmessungen bei gleichzeitig hoher EMI-Filtereffizienz erfüllen. Immer häufiger verändert die Integration magnetischer Funktionen auf Chip-Ebene die Art und Weise, wie Ferritkerne verwendet werden.

Zusammenfassung

Ferritkerne spielen eine wichtige Rolle bei der Eliminierung von EMI-Störungen und der Optimierung von Stromversorgungs-Schaltungen. Ihr Einsatz in F&E-Projekten ermöglicht die Entwicklung zuverlässigerer und effizienter elektronischer Geräte. Die Auswahl der richtigen Kerne, die auf die spezifischen Anforderungen eines Projekts zugeschnitten sind, ist eines der wichtigsten Elemente des Entwurfsprozesses in F&E.

Bibliographie:

[1] https://www.coilmaster.com.tw/pl/product/C2LRU100BLF.html

[2] https://hilelectronic.com/pl/design-power-pcb/

[3] https://resources.altium.com/pl/p/how-do-ferrite-beads-work-and-how-do-you-choose-right-one

[4] https://propcb.pl/technologie/

[5] https://ep.com.pl/rynek/wybor-konstruktora/14534-masa-problemow-z-obwodami-zasilania-na-plytkach-pcb-prawidlowe-prowadzenie-obwodu-masy-na-plytkach-pcb-ukladow-cyfrowo-analogowych

[6] https://www.instalacjebudowlane.pl/9256-26-76-wentylatory-ec-do-wydajnego-chlodzenia-w-centrach-danych.html

[7] https://elektronikab2b.pl/technika/54036-projektowanie-pcb-dla-ukladow-duzej-mocy

[8] https://resources.altium.com/pl/p/what-return-current-path-pcb