Ein Ferritkern ist ein Bauelement, das dazu dient, Hochfrequenzsignale zu dämpfen. Er besteht aus nicht leitenden ferromagnetischen Materialien, wie Hämatit oder Magnetit. Ferritkerne sind jedoch für viele Menschen immer noch ein Rätsel. Um sie richtig einzusetzen, muss man die elektromagnetischen Eigenschaften von Ferrit verstehen und die Veränderungen berücksichtigen, die beim Einsatz auftreten können. Nur wenn man die zugrunde liegende Theorie versteht, kann man die richtigen Ferritkerne für seine Leiterplatte auswählen. Andernfalls kann man am Ende mehr Probleme verursachen als beseitigen.
Die Theorie hinter Ferritkernen
Manchmal wünscht man sich, elektromagnetische Wellen sehen zu können. Das würde die Erkennung von elektromagnetischen Interferenzen erheblich erleichtern. Statt komplizierte Aufbauten und Signalanalysatoren zu verwenden, könnte man einfach hinsehen und erkennen, worum es bei all dem Trubel geht. Obwohl elektromagnetische Interferenzen nicht sichtbar sind, kann man sie manchmal hören, insbesondere wenn sie in Audio-Schaltungen auftreten.
Eine Möglichkeit, diese Störungen zu beheben, sind Ferritkerne. Obwohl sie zur Dämpfung eingesetzt werden, sind sie in Wirklichkeit etwas komplexer als nur einfache Induktivitäten. Eine vereinfachte Ersatzschaltung eines Ferritkerns hilft dabei, ihre Frequenzkennlinie zu verstehen. Diese Eigenschaften können sich jedoch je nach Stromstärke und Temperatur ändern.
Stellen Sie sich einen Ferritkern als eine Parallelschaltung aus einer Induktivität, einem Kondensator und einem Widerstand mit einem Vorwiderstand vor. Der Vorwiderstand repräsentiert den Gleichstromwiderstand, während die Induktivität den größten Beitrag zur Dämpfung von Hochfrequenzsignalen leistet. Der Parallelwiderstand steht für die Wechselstromverluste und der Kondensator für die parasitäre Kapazität. Wenn man sich die Impedanz-Frequenz-Kurve eines Ferritkerns ansieht, erkennt man, dass die hauptsächlich ohmsche Impedanz nur in einem engen Frequenzbereich extrem hoch ist. In diesem Bereich dominiert die Induktivität des Kerns. Oberhalb dieses Bereichs übernimmt die parasitäre Kapazität die Kontrolle und reduziert die Hochfrequenzimpedanz schnell.
Ferritkerne werden normalerweise für einen bestimmten Gleichstrom ausgelegt. Ströme darüber können das Bauteil beschädigen. Ein Problem dabei ist, dass dieser Grenzwert stark von der Temperatur abhängt. Wenn die Temperatur steigt, nimmt der Nennstrom schnell ab. Der Nennstrom beeinflusst auch die Impedanz des Ferrits. Mit steigendem Gleichstrom tritt eine “Sättigung” des Ferritmaterials ein, wodurch seine Induktivität abnimmt. Bei relativ hohen Strömen kann diese Sättigung die Impedanz um bis zu 90% reduzieren.
Der Laststrom kann die Impedanz Ihres Ferritkerns verändern.
Auswahl des richtigen Ferritkerns
Jetzt, da Sie die Theorie der Ferritkerne verstehen, ist es an der Zeit, den richtigen Ferritkern für Ihre Schaltung auszuwählen. Das ist nicht besonders schwierig, solange Sie die Spezifikationen des Kerns beachten.
Obwohl es allgemein bekannt ist, dass Ferritkerne “hohe Frequenzen dämpfen”, wirken sie nicht wie ein Breitband-Tiefpassfilter. Stattdessen unterdrücken sie nur Frequenzen in einem bestimmten Bereich. Daher müssen Sie einen Ferritkern wählen, der genau die unerwünschten Frequenzen dämpft. Wenn Sie dabei etwas zu niedrig oder zu hoch gehen, wird der Kern nicht die gewünschte Wirkung erzielen.
Es ist auch wichtig zu überprüfen, ob der Hersteller Ihnen die Impedanz-Laststrom-Kurven für den Ferritkern zur Verfügung stellen kann. Wenn Ihre Lastströme sehr hoch sind, müssen Sie einen Ferritkern wählen, der keine Sättigung zeigt und dadurch seine Impedanz verliert.
Vorsichtsmaßnahmen bei höheren Frequenzen
Ferritkerne stellen bei hohen Frequenzen im Grunde eine ohmsche Last dar, was bedeutet, dass sie in Ihrem Schaltkreis einige Probleme verursachen können. Wenn Sie einen Ferritkern verwenden, müssen Sie auch den Spannungsabfall und die Wärmeableitung berücksichtigen.
In der Vergangenheit waren Spannungsabfälle bei Schaltungen mit höheren Spannungen kein großes Problem. Heutzutage haben wir es jedoch häufig mit Low-Power-Schaltungen zu tun, bei denen die Spannungen teilweise nur 2 V betragen. Auf diesem Niveau können Sie sich keine großen Spannungsabfälle leisten. Ferritkerne verursachen zwangsläufig einen Gleichspannungsabfall in Ihrer Schaltung. Dieser mag zwar nicht sehr groß erscheinen, aber wenn Ihre integrierten Schaltungen (ICs) kurzzeitig viel Strom aufnehmen, kann der Verlust signifikant sein. Platzieren Sie Ihre Ferritkerne daher so, dass sie keine Probleme durch Spannungsabfälle verursachen.
Da Ferritkerne bei hohen Frequenzen als Widerstand wirken, geben sie die absorbierte Energie hauptsächlich als Wärme ab. Diese Wärme stellt normalerweise kein Problem dar, aber wenn Sie bei der Gestaltung Ihres aktiven oder passiven Kühlsystems nicht berücksichtigen, kann sie zu einem werden. Insbesondere wenn Ihr System viel Rauschen aufweist und der Ferritkern eine große Menge an hohen Frequenzen absorbiert, kann diese Wärme zum Problem werden. Achten Sie also darauf, die Wärmeableitung der Ferritkerne zu berücksichtigen.
Ferritkerne werden nur dann von großem Nutzen sein, wenn Sie ihre Funktionsweise genau verstehen. Denken Sie daran, dass sie Signale nur in einem relativ schmalen Frequenzbereich dämpfen und dass ihre Wirksamkeit von der Temperatur und dem Laststrom abhängt. Um einen Ferritkern optimal einzusetzen, stellen Sie sicher, dass er genau Ihren Anforderungen entspricht. Beim Platzieren des Kerns ist es wichtig, den Spannungsabfall und die Wärmeentwicklung zu berücksichtigen.
