Hoe test je het invoegverlies van ferriet toroïdale kernen?

1. Inzicht in insertieverlies

Invoegverlies kwantificeert de vermindering van het signaalvermogen wanneer een ferriet toroïdale kern in een circuit wordt geplaatst, uitgedrukt in decibel (dB). Het weerspiegelt het vermogen van de kern om elektromagnetische interferentie (EMI) te onderdrukken door ongewenste signalen te verzwakken. De formule voor invoegverlies is:

waarbij Vwithout core de signaalspanning is zonder de kern, en Vwith core de spanning is met de kern ingevoegd.

2. Belangrijkste factoren die van invloed zijn op het verlies van implantaten

• Materiaalsamenstelling : Nikkel-zink (NiZn) ferrieten blinken uit in hoogfrequente toepassingen (1 MHz–1 GHz), terwijl mangaan-zink (MnZn) ferrieten beter geschikt zijn voor lagere frequenties (1 kHz–1 MHz).
• Kerngeometrie : De grootte, vorm en het aantal windingen van de kern hebben een directe invloed op de impedantie en daarmee op het invoegverlies.
• Frequentie : Het invoegverlies neemt toe met de frequentie, bereikt een piek bij de resonantiefrequentie van de kern en neemt vervolgens af.
• Temperatuur : Verhoogde temperaturen kunnen de magnetische permeabiliteit van een kern verlagen, waardoor de invoegverlieskarakteristieken veranderen.

3. Testmethoden

Methode 1: Netwerkanalysator (meest nauwkeurig)

Een netwerkanalysator meet de impedantie van de kern over een frequentiebereik, waardoor een nauwkeurige berekening van het invoegverlies mogelijk is.

Stappen :

1. Kalibratie : Kalibreer de netwerkanalysator met behulp van een kalibratieset (open-, kortsluitings- en belastingsstandaarden) om de nauwkeurigheid te garanderen.
2. Testopstelling:
   • Wikkel een bepaald aantal windingen (bijvoorbeeld 5-10) rond de kern met een draad met minimale weerstand.
   • Sluit de core aan op de netwerkanalysator via coaxkabels of testopstellingen.
   • Zorg ervoor dat de kern gecentreerd is en de wikkelingen gelijkmatig zijn om parasitaire effecten te minimaliseren.
3. Frequentie-sweep : Voer een frequentie-sweep uit (bijv. 1 MHz–1 GHz) en registreer de impedantie ( Z ) en de fasehoek ( θ).).
4. Bereken het invoegverlies.:
   • Zet de impedantie om in reflectiecoëfficiënt ( Γ ): Γ = Z + Z0 / Z − Z0 , waarbijZ0​ is de karakteristieke impedantie (doorgaans 50 Ω).
   • Bereken het invoegverlies met behulp van de formule Invoegverlies (dB) = −20log10​∣Γ∣ .

Voordelen : hoge nauwkeurigheid, breed frequentiebereik en de mogelijkheid om impedantie en fase te analyseren.

Nadelen : Vereist dure apparatuur en technische expertise.

Methode 2: Signaalgenerator en spectrumanalysator (kosteneffectief alternatief)

Bij deze methode wordt een signaalgenerator gebruikt om een ​​testsignaal te produceren en een spectrumanalysator om het signaalvermogen te meten vóór en na het inbrengen van de kern.

Stappen :

1. Testopstelling:
   • Sluit de signaalgenerator aan op een vermogensverdeler of richtingskoppelaar om het signaal in twee paden te splitsen: één met de kern en één zonder.
   • Wikkel het draad een bepaald aantal keren om de kern en leg het in één baan.
   • Sluit beide paden aan op de spectrumanalysator.
2. Meet het signaalvermogen:
   • Registreer het signaalvermogen ( Pwithout core ) zonder de kern.
   • Plaats de kern en registreer het signaalvermogen ( P met kern).).
3. Bereken het invoegverlies.:
   • Gebruik de formule Invoegverlies (dB) = 10log10(Pmet kern / Pzonder kern) .

Voordelen : Lagere kosten in vergelijking met een netwerkanalysator en geschikt voor eenvoudige tests.

Beperkingen : Minder nauwkeurig vanwege mogelijke meetfouten door kabelverliezen of impedantieverschillen.

Methode 3: LCR-meter (laagfrequentietesten)

Een LCR-meter meet de inductantie ( L ), de weerstand ( R ) en de kwaliteitsfactor ( Q ) bij lage frequenties (doorgaans onder 1 MHz).

Stappen :

1. Testopstelling:
   • Wikkel het draadje een bepaald aantal keren om de kern.
   • Sluit de kern met behulp van meetsnoeren aan op de LCR-meter.
2. Meetparameters:
   • Noteer de inductantie ( L ), weerstand ( R ) en kwaliteitsfactor ( Q ) bij de testfrequentie.
3. Schat het invoegverlies in:
   • Voor laagfrequente toepassingen kan het invoegverlies worden benaderd met behulp van de impedantie van de kern ( Z = R + jωL ) en de formule Invoegverlies (dB) ≈ 20log10(Z0|Z|) , waarbijZ0​ is de karakteristieke impedantie.

Voordelen : Eenvoudig en kosteneffectief voor testen met lage frequentie.

Beperkingen : Beperkt tot lage frequenties en geeft slechts een schatting van het invoegverlies.

4. Beste werkwijzen voor nauwkeurige tests

• Kalibratie : Kalibreer uw apparatuur altijd vóór het testen om nauwkeurigheid te garanderen.
• Gelijkmatige wikkelingen : Zorg ervoor dat de draad gelijkmatig om de kern is gewikkeld om variaties in impedantie te minimaliseren.
• Temperatuurregeling : Voer de tests uit bij een stabiele temperatuur, aangezien temperatuurschommelingen de magnetische eigenschappen kunnen beïnvloeden.
• Vermijd parasitaire effecten : gebruik korte meetsnoeren en minimaliseer de contactweerstand om parasitaire capaciteit en inductantie te verminderen.
• Meerdere metingen : Neem meerdere metingen bij elk frequentiepunt en middels de resultaten om willekeurige fouten te verminderen.

5. Resultaten interpreteren

• Frequentierespons : Teken het invoegverlies uit tegen de frequentie om het effectieve frequentiebereik van de kern te bepalen. Een hoger invoegverlies duidt op een betere onderdrukking van elektromagnetische interferentie (EMI).
• Resonantiepiek : Het invoegverlies van de kern bereikt een piek bij de resonantiefrequentie, die afhankelijk is van de inductantie en de parasitaire capaciteit.
• Vergelijking met specificaties : Vergelijk uw testresultaten met het specificatieblad van de fabrikant om er zeker van te zijn dat de kern voldoet aan de vereiste prestatiecriteria.

6. Toepassingen van invoegverliesmetingen

• EMI-filtering : Ferrietkernen worden veel gebruikt in EMI-filters om hoogfrequente ruis in voedingen, audioapparatuur en communicatiesystemen te onderdrukken.
• Signaalintegriteit : In snelle digitale circuits helpen ferrietkernen de signaalintegriteit te behouden door overspraak en elektromagnetische interferentie te verminderen.
• Vermogenselektronica : Ferrietkernen worden gebruikt in spoelen en transformatoren om de efficiëntie te verbeteren en energieverlies te verminderen.