Cómo probar la pérdida de inserción de núcleos toroidales de ferrita

1. Comprensión de la pérdida de inserción

La pérdida de inserción cuantifica la reducción de la potencia de la señal al insertar un núcleo toroidal de ferrita en un circuito, expresada en decibelios (dB). Refleja la capacidad del núcleo para suprimir la interferencia electromagnética (EMI) atenuando las señales no deseadas. La fórmula para la pérdida de inserción es:

donde Vsin núcleo​ es el voltaje de la señal sin el núcleo y Vcon núcleo​ es el voltaje con el núcleo insertado.

2. Factores clave que influyen en la pérdida de inserción

• Composición del material : Las ferritas de níquel-zinc (NiZn) se destacan en aplicaciones de alta frecuencia (1 MHz–1 GHz), mientras que las ferritas de manganeso-zinc (MnZn) son más adecuadas para frecuencias más bajas (1 kHz–1 MHz).
• Geometría del núcleo : el tamaño, la forma y el número de vueltas del núcleo afectan directamente su impedancia y, en consecuencia, la pérdida de inserción.
• Frecuencia : La pérdida de inserción aumenta con la frecuencia, alcanzando un pico en la frecuencia de resonancia del núcleo antes de disminuir.
• Temperatura : Las temperaturas elevadas pueden reducir la permeabilidad magnética de un núcleo, alterando sus características de pérdida de inserción.

3. Métodos de prueba

Método 1: Analizador de red (el más preciso)

Un analizador de red mide la impedancia del núcleo a lo largo de un rango de frecuencia, lo que permite un cálculo preciso de la pérdida de inserción.

Pasos :

1. Calibración : calibre el analizador de red utilizando un kit de calibración (estándares abiertos, cortos y de carga) para garantizar la precisión.
2. Configuración de prueba:
   • Enrolle un número específico de vueltas (por ejemplo, 5 a 10) alrededor del núcleo utilizando un cable con una resistencia mínima.
   • Conecte el núcleo al analizador de red mediante cables coaxiales o accesorios de prueba.
   • Asegúrese de que el núcleo esté centrado y que los devanados sean uniformes para minimizar los efectos parásitos.
3. Barrido de frecuencia : realice un barrido de frecuencia (por ejemplo, 1 MHz–1 GHz) y registre la impedancia ( Z ) y el ángulo de fase ( θ).
4. Calcular la pérdida de inserción:
   • Convertir impedancia a coeficiente de reflexión ( Γ ): Γ=Z+Z0​Z−Z0​​ , dondeZ0​ es la impedancia característica (normalmente 50 Ω).
   • Calcule la pérdida de inserción utilizando Pérdida de inserción (dB)=−20log10​∣Γ∣ .

Ventajas : Alta precisión, amplio rango de frecuencia y capacidad para analizar impedancia y fase.

Limitaciones : Equipo costoso y requiere experiencia técnica.

Método 2: Generador de señales y analizador de espectro (alternativa rentable)

Este método utiliza un generador de señales para producir una señal de prueba y un analizador de espectro para medir la potencia de la señal antes y después de insertar el núcleo.

Pasos :

1. Configuración de prueba:
   • Conecte el generador de señales a un divisor de potencia o acoplador direccional para dividir la señal en dos rutas: una con el núcleo y otra sin él.
   • Enrolle un número determinado de vueltas alrededor del núcleo y colóquelo en un camino.
   • Conecte ambas rutas al analizador de espectro.
2. Medir la potencia de la señal:
   • Registre la potencia de la señal ( Psin núcleo ​) sin el núcleo.
   • Inserte el núcleo y registre la potencia de la señal ( P con núcleo)).
3. Calcular la pérdida de inserción:
   • Utilice la fórmula Pérdida de inserción (dB)=10log10​(Pcon núcleo​Psin núcleo​​) .

Ventajas : Menor costo en comparación con un analizador de red y adecuado para pruebas básicas.

Limitaciones : Menos preciso debido a posibles errores de medición debido a pérdidas de cables o desajustes de impedancia.

Método 3: Medidor LCR (prueba de baja frecuencia)

Un medidor LCR mide la inductancia ( L ), la resistencia ( R ) y el factor de calidad ( Q ) a frecuencias bajas (normalmente por debajo de 1 MHz).

Pasos :

1. Configuración de prueba:
   • Enrolle un número determinado de vueltas alrededor del núcleo.
   • Conecte el núcleo al medidor LCR utilizando cables de prueba.
2. Parámetros de medida:
   • Registre la inductancia ( L ), la resistencia ( R ) y el factor de calidad ( Q ) en la frecuencia de prueba.
3. Estimar la pérdida de inserción:
   • Para aplicaciones de baja frecuencia, la pérdida de inserción se puede aproximar utilizando la impedancia del núcleo ( Z=R+jωL ) y la fórmula Pérdida de inserción (dB)≈20log10​(Z0​∣Z∣​) , dondeZ0​ es la impedancia característica.

Ventajas : Simple y rentable para pruebas de baja frecuencia.

Limitaciones : Limitado a frecuencias bajas y proporciona solo una estimación de la pérdida de inserción.

4. Mejores prácticas para realizar pruebas precisas

• Calibración : Siempre calibre su equipo antes de realizar pruebas para garantizar la precisión.
• Bobinados uniformes : asegúrese de que el cable esté enrollado uniformemente alrededor del núcleo para minimizar las variaciones en la impedancia.
• Control de temperatura : Realice pruebas a una temperatura estable, ya que las fluctuaciones de temperatura pueden afectar las propiedades magnéticas.
• Evite los efectos parásitos : utilice cables de prueba cortos y minimice la resistencia de contacto para reducir la capacitancia y la inductancia parásitas.
• Mediciones múltiples : tome múltiples mediciones en cada punto de frecuencia y promedie los resultados para reducir errores aleatorios.

5. Interpretación de los resultados

• Respuesta en frecuencia : Grafique la pérdida de inserción en función de la frecuencia para identificar el rango de frecuencia efectivo del núcleo. Una mayor pérdida de inserción indica una mejor supresión de EMI.
• Pico de resonancia : la pérdida de inserción del núcleo alcanzará su pico en su frecuencia de resonancia, que depende de su inductancia y capacitancia parásita.
• Comparación con las especificaciones : compare los resultados de su prueba con la hoja de datos del fabricante para asegurarse de que el núcleo cumpla con los criterios de rendimiento requeridos.

6. Aplicaciones de las pruebas de pérdida de inserción

• Filtrado EMI : Los núcleos de ferrita se utilizan ampliamente en filtros EMI para suprimir el ruido de alta frecuencia en fuentes de alimentación, equipos de audio y sistemas de comunicación.
• Integridad de la señal : en circuitos digitales de alta velocidad, los núcleos de ferrita ayudan a mantener la integridad de la señal al reducir la diafonía y la interferencia electromagnética.
• Electrónica de potencia : Los núcleos de ferrita se utilizan en inductores y transformadores para mejorar la eficiencia y reducir la pérdida de energía.