Для чего нужен ферритовый фильтр или кольцо на кабеле. Маркировка ферритовых сердечников трансформаторов

Зачем нужны ферритовые кольца на кабелях

Для чего нужны ферритовые кольца на кабелях компьютера и какой от них эффект?
Внутренние и внешние компьютерные кабели могут работать как миниатюрные антенны, поскольку они преобразуют шумы напряжения и тока в электромагнитное излучение.

Ферритовые кольца для плоских и круглых кабелей обеспечивают эффективное подавление шумовых токов до их излучения в виде электромагнитных помех.

Неэкранированные кабели излучают помехи вследствие протекания по их медным проводникам синфазного шума, то есть высокочастотного тока, текущего в одном направлении по всем проводникам кабеля. Эти токи создают магнитное поле определенной величины и направления.

Кабельные ферриты ослабляют шумовые токи, «захватывая» магнитное поле и рассеивая часть его энергии в виде тепла т.е ферритовый элемент, надетый на проводники кабеля, создает большой активный импеданс для синфазных токов. Ферриты можно использовать на внутренних силовых кабелях с постоянным или переменным током, и на проводниках, по которым передаются аналоговые и цифровые сигналы.

Производители электронного оборудования используют ферриты для подавления электромагнитных излучений от внешних силовых и сигнальных кабелей системных блоков компьютеров, мониторов, клавиатур, принтеров и других периферийных устройств.

Длинные внешние силовые и сигнальные кабели работают как антенны, эффективно излучая помехи, создаваемые внутри корпуса прибора, во внешнюю среду. Использование ферритовых изделий позволяет снизить требования к экранированию внешних кабелей и во многих случаях дает возможность снизить их стоимость.

Кабельные ферриты для подавления электромагнитных помех следует выбирать, исходя из конкретной задачи, кабельный феррит должен создавать максимальный последовательный импеданс для частот шумового сигнала.

После выбора материала и приблизительных размеров сердечника создаваемый им последовательный импеданс и эффективность шумоподавления можно оптимизировать путем:

1. Увеличения длины охватываемой ферритом части проводника; 2. Увеличения поперечного сечения ферритового сердечника (особенно для силовых цепей); 3. Выбора сердечника с внутренним диаметром, наиболее близким к внешнему диаметру проводника или кабеля;

В общем, наилучший ферритовый сердечник — самый длинный и толстый из тех, что могут быть размещены на кабеле, с внутренним диаметром, совпадающим с внешним диаметром кабеля. При установке на гибкие кабели массивные ферритовые сердечники должны быть заключены в термоусадочную трубку или защищены и закреплены на месте другим способом.

Последовательный импеданс, вносимый высокочастотным ферритовым сердечником, можно увеличить, сделав на нем несколько витков проводника. По теория импеданс увеличивается пропорционально квадрату числа витков. Однако вследствие нелинейности ферритов и потерь в них два витка на сердечнике увеличат импеданс не в четыре раза, а несколько меньше.

В большинстве случаев феррит должен располагаться максимально близко к источнику помехи, что предотвратит передачу помех через другие элементы конструкции прибора, где их гораздо труднее отфильтровать.

Но для кабелей передачи данных, где проводники входят в экранированный корпус или выходят из него, ферритовые сердечники должны располагаться максимально близко к месту прохода через экран. Это предотвратит излучение помех проводниками внутри корпуса после фильтра.

Как работает ферритовый фильтр

Феррит — это специальный материал, состоящий из соединения оксида железа и ряда других металлов, который не проводит ток и эффективно поглощает электромагнитные волны. Ферритовое кольцо является отличным магнитным изолятором и за счёт этого обеспечивает фильтрацию высокочастотных помех и электромагнитных шумов. Он принимает на себя электромагнитные волны на выходе из электронной аппаратуры, прежде чем они усилятся в кабеле, как в антенне.

Ферритовый фильтр представляет собой сердечник из этого материала в виде цилиндра, который надевается на кабель либо сразу на производстве, либо позднее. При самостоятельной установке его необходимо расположить максимально близко к источнику помех. Только это позволить предотвратить передачу помех через другие элементы конструкции аппарата, где их отфильтровать гораздо труднее.

Физические свойства

Феррит является ферримагнетиком, не проводящим электрический ток, то есть по сути это магнитный изолятор. В этом материале не создаются вихревые токи, и поэтому он весьма быстро перемагничивается – в такт частоте внешних электромагнитных полей. Это свойство материала является основой для эффективной защиты электронных приборов. Ферритовое кольцо, надетое на кабель, способно создать для синфазных токов большой активный импеданс.

Данный материал образуется из химического соединения оксидов железа с оксидами других металлов. Он обладает уникальными магнитными характеристиками и низкой электропроводностью. Благодаря этому ферриты практически не имеют конкурентов среди иных магнитных материалов в высокочастотной технике. Ферритовые кольца 2000нм значительно увеличивают индуктивность кабеля (в несколько сотен или тысяч раз), что обеспечивает подавление высокочастотных помех. Данный элемент устанавливается на шнур при его производстве либо, разрезанный на две полуокружности, надевается на провод сразу после его изготовления. Ферритовый фильтр упаковывается в пластиковый корпус. Если его разрезать, то можно увидеть внутри кусок металла.

Типы сердечников импульсных трансформаторов

Классифицируются сердечники компонентов индуктивности, используемые в импульсной технике, по форме и магнитным свойствам материала.

Формы и свойства ферритовых сердечников

Ферритовые сердечники делятся на:

• Разборные, состоящие из 2-х частей;
• Кольцевые;
• Продольные.

Наибольшее распространение получили P- и Е-сердечники, которые состоят из 2-х частей и кроме 2-х боковых линий магнитопровода имеют ещё центральную часть. Такого типа сердечники имеют наибольшее количество вариантов форм с соответствующими обозначениями. P-сердечники ещё называют чашеобразными, они имеют максимальную магнитную проницаемость.

У Е-сердечников боковая часть магнитопровода имеет меньшую ширину, поэтому они являются максимально компактными. К тому же они имеют толще стенки, поэтому более стойки к механическим повреждениям.

Для поверхностного монтажа разработаны компактные варианты форм сердечников. Это планарные типы SMD-трансформаторов или дросселей.

Материалы сердечников

В качестве материалов для сердечников высокочастотных и импульсных трансформаторов, также дросселей используются магнитомягкие вещества, например, ферриты. Это материалы на основе оксида железа (Fe₂O₃). Для них свойственно быстрое размагничивание, по сравнению с магнитотвёрдыми, которые после их намагничивания становятся постоянными магнитами. Ферриты обладают малыми потерями на вихревые токи (токи Фуко) и более вытянутой петлёй гистерезиса.

Ферриты, предназначенные для силовых трансформаторов, автотрансформаторов и дросселей, работающие на частоте от 10кГц до 300кГц (максимум 500кГц) имеют такие марки в диапазоне начальной магнитной проницаемости:

• 650 – 900 — 3F5, 3F4, 3F45;
• 1200 – 1400 — TP5B, TP5, PC50;
• 1500 – 1800 — N92, TP4E, TP4F, 3C92, CF122, 3C93, CF292;
• 2000 – 2100 — N27, CF196, TP4S, 3C96, CF138, N67, 3C30, 3C34, CF139, 3F3, TP4G;
• 2200 – 2300 — N87, PC90, 3C90, TP4, 3C94, PC40, CF297, N97, TPB22;
• 2400 – 2500 — TP4A, PC44, CF124, N72, PC47, TP4D, TP4B;
• 2700 – 3000 — 3C81, N41, 3C91, CF101, CF130, TK, TP4W, CF295, 3C95;
• 3200 – 3300 — TP4C, PC95, TPW33;
• 3800 — TP1.

Маркировка ферритовых сердечников трансформаторов

Преимущество сердечников, набираемых из пластин, заключается в том, что их можно изготовить из любых, даже очень хрупких материалов. В броневом сердечнике обмотки располагаются на центральном стержне, что упрощает конструкцию, обеспечивает более полное использование окна и частично создает защиту обмотки от механических воздействий. Недостатком же такого трансформатора является повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты. Это ограничивает применение броневых маг-нитопроводов, в частности, в устройстве входных трансформаторов.

В стержневых сердечниках обмотки располагаются на двух стержнях. При этом уменьшается толщина намотки и, следовательно, индуктивность рассеяния трансформатора. Кроме того, сокращается расход провода и увеличивается поверхность охлаждения, что важно для мощных трансформаторов. Поэтому стержневые магнитопроводы чаще всего входят в состав мощных выходных трансформаторов, а также входных трансформаторов высокочувствительных усилителей.

При изготовлении сердечников к Ш-образным пластинам добавляют перемычки. Чтобы ликвидировать зазор между пластинами и перемычками, сердечник собирают «вперекрышку». В магнито-проводах трансформаторов и дросселей, по которым протекает постоянный ток (например, дросселей фильтра питания), делают немагнитный зазор. В этом случае пластины собирают в одну сторону. Между пакетами пластин и перемычек помещают прокладку из листового электроизоляционного материала необходимой толщины.

Для уменьшения потерь на вихревые токи пластины дополнительно изолируют тонким слоем лака (с одной стороны) или окисла, который образуется при отжиге.

После сборки сердечник стягивают планками или уголками при помощи шпилек с гайками либо специальными обжимками. Шпильки должны быть изолированы от пластин. Стяжные планки, уголки или обжимки служат одновременно для крепления трансформатора на шасси.

Ленточные сердечники трансформаторов

Витые (ленточные) сердечники трансформаторов навивают из полос электротехнической стали или железо-никелевых сплавов (рис. 3, 4).

В устройстве таких магнитопроводов допускаются материалы различной толщины (до нескольких микрометров), что позволяет применять их для трансформаторов при повышенных частотах. Они эффективнее, чем пластинчатые магнитопроводы, используют магнитные свойства материалов (особенно холоднокатанных сталей); отличаются несколько повышенными потерями и наличием воздушного зазора в стыках (5. 40 мкм). Кроме того, следует отметить меньшую стоимость изготовления.

Тип у, мм у1, мм b, мм h, мм L, мм H, мм Средняя
длина
магнит-
ной
линии,
см ШЛ 4 4; 5; 6,5; 8 4 10 16 14 3,4 5 5; 6,5; 8; 10 5 12 20 17 4,2 6 6,5; 8; 10; 12,5 6 15 24 21 5,1 8 8; 10; 12,5; 16 8 20 32 28 6,8 10 10; 12,5; 16; 20 10 25 40 35 8,5 12 12,5; 16; 20 ;25 12 30 48 42 10,2 16 16; 20; 25; 32 16 40 64 56 13,6 20 20; 25; 32; 40 20 50 80 70 17,1 25 25; 32; 40; 50 25 62,5 100 87,5 21,3 32 32; 40; 50; 64 32 80 128 112 27,3 40 40; 50; 64; 80 40 100 160 140 34,2 ШЛМ 8 8; 10; 12,5; 16 5 14 26 22 5,0 10 10; 12,5; 16; 20 6 18 32 28 6,4 12 12,5; 16; 20; 25 8 23 40 35 8,1 16 16; 20; 25; 32 10 26 32 42 9,7 20 20; 25; 32; 40 12 36 64 56 12,7 25 25; 32; 40; 50 15 45 80 70 16,0 ШЛО 4 5; 6,5; 8; 10 5 13 18 17 4,4 5 5; 6,5; 8; 10 6,2 16 22,4 21 5,6 6 6,5; 8; 10; 12,5 7,5 23 27 29 7,3 8 8; 10; 12,5; 16 10 27 36 35 9,6 10 10; 12,5; 16; 20 12,5 32 45 42 11,0 12 12,5; 16; 20; 25 20 44 65 57 14,7 16 16; 20; 25; 32 24 64 81 71 18,1

Ферритовые сердечники трансформаторов

Ферритовые сердечники для трансформаторов изготавливаются из магнитно-мягких ферритов и представляют собой Ш-образные или кольцевые магнитопроводы (рис. 5, 6).

Размеры Ш-образных сердечников из феррита приведены в табл. Т4, а кольцевых — в табл. Т5. Следует учесть, что ферритовый Ш-образный сердечник трансформатора составляется из двух одинаковых частей (магнитопроводов). Обозначение типоразмера Ш-образного сердечника имеет вид Шс×f, а кольцевого — KD×d×h (размеры в миллиметрах).

• Сердечники из феррита марки 700НМ изготавливаются с наружным диаметром 5-20 мм.
• Сердечники, отмеченные звездочкой (*), производятся также из феррита марки 10000НМ.
• Сердечники, отмеченные двумя звездочками (**), из феррита марок 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ, 4000НМ, 6000НМ, 10000НМ не изготавливаются.

Обозначение в конструкторской документации

Пример расшифровки кода EPCOS и обозначение в конструкторской документации:

Единица измерения — штука (половинка)
E42/21/20 B66329GX187 — полное наименование ферритового сердечника.
E42/21/20 — конфигурация и типоразмер сердечника.
B66329 — код типоразмера E42/21/20.
87 — сердечник выполнен из феррита марки N87.

Дополнительная информация

Практически весь отечественный типоразмерный ряд Ш-образных сердечников имеет полные аналоги по геометрическим размерам ферритовым сердечникам E, что облегчает их замену на аналоги производства Epcos, выполненные из современных материалов без изменения установочных размеров на плате. Таблицу соответствия можно посмотреть здесь.

Для уменьшения потерь при транспортировке и хранения рекомендуем по-возможности заказывать сердечники кратно количеству в заводской упаковке.