Wie man die Einfügungsdämpfung von Ferrit-Ringkernen testet

1. Einfügungsdämpfung verstehen

Die Einfügedämpfung quantifiziert die Reduzierung der Signalleistung beim Einfügen eines Ferritkerns in einen Schaltkreis und wird in Dezibel (dB) angegeben. Sie spiegelt die Fähigkeit des Kerns wider, elektromagnetische Störungen (EMI) durch Dämpfung unerwünschter Signale zu unterdrücken. Die Formel für die Einfügedämpfung lautet:

Dabei ist Vwithout core​ die Signalspannung ohne Kern und Vwith core​ die Spannung mit eingesetztem Kern.

2. Schlüsselfaktoren, die den Einfügungsverlust beeinflussen

• Materialzusammensetzung : Nickel-Zink (NiZn)-Ferrite eignen sich hervorragend für Hochfrequenzanwendungen (1 MHz–1 GHz), während Mangan-Zink (MnZn)-Ferrite besser für niedrigere Frequenzen (1 kHz–1 MHz) geeignet sind.
• Kerngeometrie : Die Größe, Form und Windungszahl des Kerns beeinflussen direkt seine Impedanz und damit auch die Einfügungsdämpfung.
• Frequenz : Die Einfügungsdämpfung steigt mit der Frequenz an und erreicht ihren Höchstwert bei der Resonanzfrequenz des Kerns, bevor sie wieder abfällt.
• Temperatur : Erhöhte Temperaturen können die magnetische Permeabilität eines Kerns verringern und dadurch dessen Einfügungsdämpfungseigenschaften verändern.

3. Testmethoden

Methode 1: Netzwerk-Analysator (Genaueste Methode)

Ein Netzwerkanalysator misst die Impedanz des Kerns über einen Frequenzbereich und ermöglicht so die präzise Berechnung der Einfügungsdämpfung.

Schritte :

1. Kalibrierung : Kalibrieren Sie den Netzwerkanalysator mithilfe eines Kalibrierkits (Offen-, Kurzschluss- und Laststandards), um die Genauigkeit zu gewährleisten.
2. Testaufbau:
   • Wickeln Sie eine bestimmte Anzahl von Windungen (z. B. 5–10) mit einem Draht mit minimalem Widerstand um den Kern.
   • Verbinden Sie den Kern über Koaxialkabel oder Testvorrichtungen mit dem Netzwerkanalysator.
   • Um parasitäre Effekte zu minimieren, muss sichergestellt werden, dass der Kern zentriert und die Wicklungen gleichmäßig sind.
3. Frequenzdurchlauf : Führen Sie einen Frequenzdurchlauf durch (z. B. 1 MHz–1 GHz) und notieren Sie die Impedanz ( Z ) und den Phasenwinkel ( θ).).
4. Einfügungsdämpfung berechnen:
   • Impedanz in Reflexionskoeffizienten ( Γ ) umrechnen: Γ=Z+Z0​Z−Z0​​ , wobeiZ0​ ist die charakteristische Impedanz (typischerweise 50 Ω).
   • Berechnen Sie die Einfügungsdämpfung mit der Formel Einfügungsdämpfung (dB)=−20log10​|Γ| .

Vorteile : Hohe Genauigkeit, breiter Frequenzbereich und die Möglichkeit zur Impedanz- und Phasenanalyse.

Einschränkungen : Teure Ausrüstung und technisches Fachwissen erforderlich.

Methode 2: Signalgenerator und Spektrumanalysator (kostengünstige Alternative)

Bei dieser Methode wird ein Signalgenerator verwendet, um ein Testsignal zu erzeugen, und ein Spektrumanalysator, um die Signalleistung vor und nach dem Einsetzen des Kerns zu messen.

Schritte :

1. Testaufbau:
   • Schließen Sie den Signalgenerator an einen Leistungsteiler oder Richtkoppler an, um das Signal in zwei Pfade aufzuteilen: einen mit dem Kern und einen ohne.
   • Wickle eine bestimmte Anzahl von Windungen um den Kern und platziere ihn in einer Bahn.
   • Verbinden Sie beide Pfade mit dem Spektrumanalysator.
2. Signalstärke messen:
   • Zeichnen Sie die Signalleistung ( Pohne Kern ) ohne den Kern auf.
   • Setzen Sie den Kern ein und messen Sie die Signalleistung ( P mit Kern).).
3. Einfügungsdämpfung berechnen:
   • Verwenden Sie die Formel Insertion Loss (dB)=10log10​(Pwith core​Pwithout core​​) .

Vorteile : Geringere Kosten im Vergleich zu einem Netzwerkanalysator und geeignet für grundlegende Tests.

Einschränkungen : Geringere Genauigkeit aufgrund potenzieller Messfehler durch Kabelverluste oder Fehlanpassungen der Impedanz.

Methode 3: LCR-Meter (Niederfrequenzprüfung)

Ein LCR-Meter misst Induktivität ( L ), Widerstand ( R ) und Gütefaktor ( Q ) bei niedrigen Frequenzen (typischerweise unter 1 MHz).

Schritte :

1. Testaufbau:
   • Wickeln Sie eine bestimmte Anzahl von Windungen um den Kern.
   • Verbinden Sie den Kern mithilfe von Messleitungen mit dem LCR-Meter.
2. Messparameter:
   • Notieren Sie die Induktivität ( L ), den Widerstand ( R ) und den Gütefaktor ( Q ) bei der Testfrequenz.
3. Schätzen Sie die Einfügungsdämpfung:
   • Für Niederfrequenzanwendungen kann die Einfügungsdämpfung mithilfe der Kernimpedanz ( Z = R + jωL ) und der Formel Einfügungsdämpfung (dB) ≈ 20 log₁₀(Z₀|Z|) angenähert werden, wobeiZ0​ ist die charakteristische Impedanz.

Vorteile : Einfach und kostengünstig für Tests mit niedriger Frequenz.

Einschränkungen : Beschränkt auf niedrige Frequenzen und liefert lediglich eine Schätzung der Einfügungsdämpfung.

4. Bewährte Verfahren für genaue Tests

• Kalibrierung : Kalibrieren Sie Ihre Geräte immer vor dem Testen, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
• Gleichmäßige Wicklung : Achten Sie darauf, dass der Draht gleichmäßig um den Kern gewickelt ist, um Impedanzschwankungen zu minimieren.
• Temperaturkontrolle : Führen Sie die Tests bei einer stabilen Temperatur durch, da Temperaturschwankungen die magnetischen Eigenschaften beeinflussen können.
• Parasitäre Effekte vermeiden : Verwenden Sie kurze Messleitungen und minimieren Sie den Kontaktwiderstand, um parasitäre Kapazität und Induktivität zu reduzieren.
• Mehrere Messungen : Nehmen Sie an jedem Frequenzpunkt mehrere Messungen vor und mitteln Sie die Ergebnisse, um zufällige Fehler zu reduzieren.

5. Interpretation der Ergebnisse

• Frequenzgang : Tragen Sie die Einfügungsdämpfung über der Frequenz auf, um den effektiven Frequenzbereich des Kerns zu ermitteln. Eine höhere Einfügungsdämpfung deutet auf eine bessere EMV-Unterdrückung hin.
• Resonanzspitze : Die Einfügungsdämpfung des Kerns erreicht ihren Höhepunkt bei seiner Resonanzfrequenz, die von seiner Induktivität und parasitären Kapazität abhängt.
• Vergleich mit den Spezifikationen : Vergleichen Sie Ihre Testergebnisse mit dem Datenblatt des Herstellers, um sicherzustellen, dass der Kern die erforderlichen Leistungskriterien erfüllt.

6. Anwendungen der Einfügungsdämpfungsmessung

• EMI-Filterung : Ferritkerne werden häufig in EMI-Filtern eingesetzt, um hochfrequentes Rauschen in Stromversorgungen, Audiogeräten und Kommunikationssystemen zu unterdrücken.
• Signalintegrität : In digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen tragen Ferritkerne zur Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei, indem sie Übersprechen und elektromagnetische Störungen reduzieren.
• Leistungselektronik : Ferritkerne werden in Induktivitäten und Transformatoren eingesetzt, um den Wirkungsgrad zu verbessern und Energieverluste zu reduzieren.