Würth Elektronik eiSos Ferrite für die EMV

Warum sollten Digitaltechniker etwas über Magnetismus wissen? Weil kein Mikrocontroller ohne den Einfluss von Magnetfeldern oder ohne den Einsatz von magnetischen Komponenten arbeiten kann. Im Folgenden gehen wir darauf ein, und was beim Einsatz von EMV-Ferriten wichtig und relevant ist.

Ferrit ist der gebräuchlichste Werkstoff, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu unterdrücken und so die EMV-Anforderungen zu erfüllen. Dieser Beitrag behandelt in erster Linie Kleinsignalschaltungen, aber die Prinzipien gelten gleichermaßen für Leistungskreise.

Das grundlegende Problem bei digitalen Signalen sind ihre scharfen, kantigen Wellenformen, die über die Leiterplatte wandern. Gemäß der Fourier-Transformation können wir jede beliebige Wellenform aus einer Kombination von Sinuswellen mit verschiedenen Harmonischen reproduzieren. Um diese scharfen Ecken in unseren schnellen Wellenformen zu erhalten, benötigen wir auch höhere Harmonische. Diese neigen allerdings dazu abzustrahlen, zumal sie sich im Bereich der Funkbänder befinden. Allerdings sind diese Ströme sehr klein im Vergleich zu denen, mit denen die Schaltung arbeitet. Um die Vorschriften zu erfüllen, müssen die EMV-Ströme in der Regel unter 10 µA liegen, während die Betriebsströme zwischen einigen Milliampere und vielen Ampere liegen. Normen wie die CISPR 22 und die FCC Part 15 schreiben strenge Grenzwerte für bestimmte Frequenzbereiche vor.

Als Rauschen bezeichnet man ein nicht beabsichtigtes Signal in einem Schaltkreis, dessen Ursprung drei Ursachen haben kann:

  • intrinsisches Rauschen durch statistisch verteilte Schwankungen in physikalischen Systemen (z. B. thermisches Rauschen),
  • technische Störquellen (z. B. Motoren, Schalter, digitale Elektronik und Funksender) oder
  • natürliche Störungen (z. B. Blitze).

Störbeeinflussung ist die unerwünschte Auswirkung von Rauschen. Unter elektromagnetischer Verträglichkeit versteht man die Fähigkeit eines elektronischen Systems, in seiner bestimmungsgemäßen elektromagnetischen Umgebung ordnungsgemäß zu funktionieren und nicht eine Quelle für elektromagnetische Störungen in seiner Umgebung darzustellen. Dies bezieht sich sowohl auf leitungsgebundene als auch auf abgestrahlte Störungen.

Die Funktion ferritbasierter Induktivitäten besteht darin, eine frequenzabhängige Impedanz bereitzustellen um den Störstrom zu begrenzen. Typischerweise in Serie geschaltet, kommen sie entweder einzeln oder in Kombination mit einem Kondensator als Teil eines Tiefpassfilters zum Einsatz. Das gewünschte Signal wird durchgelassen und das unerwünschte Störsignal abgeschwächt.

Ein Unterschied besteht zwischen einer Ferritperle und einer Ferritdrossel, obwohl beides Induktivitäten sind. Ferritperlen gibt es in vielen Formen und Größen. Dabei handelt es sich um den Ferrit selbst in ringförmiger, zylindrischer oder rechteckiger Form, durch das ein Draht oder ein Kabel ein- oder mehrmals durchläuft. Wir alle haben kleine Wulstungen an Strom-, Video- und Datenkabeln gesehen, z. B. an USB-Kabeln. Die großen Typen, sogenannte Kabelferrite, sind oft zweiteilig in einem speziellen Gehäuse untergebracht, sodass sie auf ein Kabel geschnappt werden können. Die kleinsten Perlen dagegen können über die Anschlüsse von Bauteilen wie MOSFETs geschoben werden.

      Die Ferritinduktivität beinhaltet sowohl den Ferritkörper, als auch eine Drahtwicklung, die mit der Leiterplatte verlötet werden kann. Es gibt kleine Ferritinduktivitäten, die allgemein als »Chip Beads« bezeichnet werden, aber nach der obigen Definition Ferritperlen sind, da sie intern eine Wicklung beinhalten. Manchmal ist die Wicklung nur ein einzelner Draht, der durch den Ferrit läuft, aber häufiger hat die Wicklung, abhängig von der vorgesehenen Verwendung, mehrere Windungen und eine bestimmte Struktur. Die Begriffe werden oft synonym verwendet. In diesem Beitrag verwendet wir den Begriff Ferritperle, da es sich dabei hauptsächlich um kleine Signale handelt, wie sie in Mikroprozessorsystemen vorkommen.

      Begriffe und Eigenschaften

      Es ist wichtig, die Begriffe zu verstehen, mit denen die Eigenschaften von Ferritperlen beschrieben werden. Bild 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Widerstand, und Impedanz.

      Der Widerstand R ist die Kombination aus dem Gleichstromwiderstand der Wicklung und dem Wechselstromwiderstand, der durch Skin-, Wirbelstrom- und Kernverluste aufgrund der Frequenz verursacht wird:

      R equals omega times L times mu double apostrophe
m i t space omega equals 2 straight pi times straight L

      Die Wechselstromverluste nehmen mit der Frequenz zu. Die Reaktanz XL ist die Reaktion zum Stromfluss, verursacht durch die Induktivität:

      X subscript L equals omega times L times mu apostrophe

      Sie hängt mit der Permeabilität des Ferrits zusammen. Die Permeabilität μ ist ein Maß dafür, wie stark sich magnetische Flusslinien in einem Material konzentrieren lassen. Die Impedanz Z ist die Größe des komplexen Ausdrucks aus Widerstand und Reaktanz:

      bottom enclose Z equals j omega times L times open parentheses mu apostrophe minus j mu double apostrophe close parentheses equals
space space space equals R plus j X subscript L equals square root of R squared plus X subscript L squared end root

      Bild 2 zeigt die komplexe Permeabilität eines Ferritmaterials über die Frequenz. Die Permeabilität μ‘ nimmt mit zunehmender Frequenz ab und die Kernverluste μ« steigen mit zunehmender Frequenz bis auf ein Maximum und nehmen dann wieder ab.

      Die in den Datenblättern dargestellten Kurven zeigen die Materialeigenschaften, wie sie für die spezifischen Kernbauformen und Wicklungsstrukturen gelten, sowie die resultierende Impedanz, die sich aus der Kombination von Wicklung und Kern ergibt (Bild 3). Die resultierende Kennlinie wird verwendet, um die Auswahl der richtigen Ferritperle zu bestimmen, nachdem die erforderliche Impedanz bei der gewünschten Frequenz bestimmt worden ist.

        Ferritperlen – große wie auch kleine – verhalten sich im »niedrigen« Frequenzbereich induktiv. Wie bei allen Ferriten sinkt durch die abnehmende Permeabilität die Reaktanz bei höheren Frequenzen, wodurch auch die Induktivität abnimmt. Die Kurven in Bild 4 zeigen deutlich, wie stark die Reaktanz bei unterschiedlichen Materialien und unterschiedlichen Frequenzen zurückgeht. Gleichzeitig steigen die Kernverluste im Ferrit mit zunehmender Frequenz.

        Wie in Bild 5 zu sehen ist, hat der ohmsche Widerstand einen optimalen Wirkungsbereich. Signale, die innerhalb dieses Frequenzbandes liegen, werden gedämpft, es treten also »ohmsche Verluste« beim Signal auf. Da die Impedanz die Kombination aus der Reaktanz der Induktivität und den Widerstandsverlusten ist, ergibt sich ein frequenzabhängiger Widerstand. Diese Erkenntnis ist wichtig, da eine klassische Induktivität als verlustfreies Bauteil angesehen wird. Der Strom in einer Induktivität erzeugt ein Magnetfeld, das in einer Phase des Signalverlaufs Energie speichert und in einer anderen freisetzt. Es entstehen zwar Verluste, aber diese sind auf ein Minimum reduziert. Im Falle einer EMV-Applikation wollen wir das hochfrequente Störsignal allerdings eliminieren und nicht speichern. Eine Ferritperle jedoch wandelt den Störstrom wie ein Widerstand in Wärme um, leitet ihn ab und entfernt ihn so aus dem Signal.