Einführung in die RF-Abschirmung (Teil 3): Ferrite

Ein Blick auf zylindrische Rohre und kreisförmige Ringkerne als Mittel zur Rauschreduzierung bei Kabeln.

Typische Ferrit-Impedanz/Frequenz-Diagramme

Grundlegende Funktionsweise

Das Datenblatt zu Ferrit muss verwendet werden, um die richtigen Betriebsparameter für die gewünschten Frequenzen zu erhalten, die kontrolliert werden müssen.

Ferrite sind für bestimmte Frequenzbänder ausgelegt. Daher ist das Datenblatt ein wichtiges Hilfsmittel, das vor dem Einbau in einen Schaltkreis herangezogen werden muss. Außerdem gilt für Ferrit eine Sättigungsmagnetisierung, die vom Strom und der Temperatur abhängt und die Impedanz (Z) reduzieren kann.

1 Windung, 2 Windungen, 3 Windungen… 

Wird ein Draht durch den inneren Ferritkern geführt, wird die Dämpfung verstärkt (Impedanz (Z), Widerstand (R) und Reaktanz (X)). 

Standardmäßig werden die Windungen des Ringkerns (Toroids) als die Anzahl der Drähte gezählt, die durch die Mitte des Kerns verlaufen. Die Drähte an der Außenseite werden nicht gezählt.

Der Anstieg der Induktivität ist proportional zum Quadrat der Drahtwindungen im Kern.

Ein Ferritkern mit zwei Windungen (N=2) hat die vierfache Induktivität (N² = 4) eines vergleichbaren Kerns mit nur einer Drahtwindung.

Ein Ferritkern mit drei Windungen (N=3) hat die neunfache Induktivität (N2 = 9) wie ein Kern mit einer Windung.

Drahtbündel in Kabeln können auch mit Ferriten verwendet werden, um Gleichtaktsignale zu eliminieren.

Zwei Windungen, die die Mitte des Ferritkerns durchlaufen	Drei Windungen, die die Mitte des Ferritkerns durchlaufen	Nahaufnahme von Drahtbündel um Toroid

Aus dem Impedanz-Frequenz-Diagramm lässt sich ein entsprechender Schaltkreis ableiten.

Anhand der ermittelten Impedanz des Betriebspunkts lässt sich die Dämpfung des Störsignals (Vin) berechnen, die die Last (Zl) erfährt.

Vereinfachte Ersatzschaltung	Impedanz zu Dämpfung

Einzelwindung, die drei Ferrite durchläuft

Bündel aus drei Drähten mit 12 Windungen um kreisförmigen Ringkern

Alles in einer Reihe…

Die Dämpfung kann auch durch Aneinanderreihung von Ferriten verstärkt werden, wenn der Kabeldurchmesser keine Mehrfachwindungen zulässt. Die Erhöhung der Anzahl der Ferritkerne hat einen additiven Effekt und verringert gleichzeitig den Gesamtwert der Frequenzbandbreite. 

Der Anstieg der Induktivität ist linear, eine Windung = L, zwei Windungen = 2*L und drei Windungen = 3*L.

Die Drahtbündel können wie Einzeldrähte behandelt werden. Gleichtaktstörungen, die gleichzeitig in allen Drähten auftreten, können mit dem ringförmigen Toroid reduziert werden. 

Beispiel:

Bei einer Messung stellen wir fest, dass ein Ethernet-Kabel ein gewisses Rauschen aufweist. Das Rauschen soll um 12 dB gedämpft werden. Aus Datenblättern oder Messungen geht hervor, dass das Ethernet-Kabel eine Impedanz von 300 Ohm besitzt. Der Beispielgrafik oben lässt sich entnehmen, dass die Impedanz (Z) des Ferrits 240 Ohm bei 60 MHz beträgt. 

Die Umstellung der Gleichung zur Dämpfungsumrechnung und deren Lösung zu Zsc ergibt Folgendes:

Für die Impedanz der Quelle (Zs) und der Last (Zl) wird derselbe Wert angesetzt, um (konstruktionsbedingt) für eine maximale Leistungsübertragung zu sorgen. Somit ergibt sich:

Die Ferritimpedanz (Zsc) und die Lastimpedanz (Zl) bilden einen Spannungteiler, der das unerwünschte Signal dämpft. Die Ferritimpedanz muss erhöht werden, indem entweder das Ehernet-Kabel mehrfach durch den Ferritkern geführt wird oder mehrere Ferrite in Reihe entlang des Kabels hinzugefügt werden. Bei der linearen Lösung (Ferrite in Reihe) sind mindestens 7 bis 8 Ferrite erforderlich, um die gewünschte Impedanz zu erzielen (7*240 Ohm = 1680 Ohm: 11,59&nbpsp;dB bzw. 8*240 Ohm = 1920 Ohm: 12,46 dB). 

Wenn das Ethernet-Kabel durch einen kreisförmigen Ringkern gewickelt werden kann, sind nur 3 Windungen erforderlich, um die gewünschte Dämpfung zu erzielen (N =3² *240 = 2160 Ohm: 13,25 dB). Dies bietet den zuätzlichen Vorteil, das nur ein Bauteil erforderlich ist.

KEMET ESD-SR-100 Klappferrit

Mögliche Lösung

Nachdem bei einer Kabelbaugruppe festgestellt wurde, das sie Probleme in Bezug auf EMI oder EMV verursacht, kann ein Klappferrit installiert werden.

Der Klapp-Ringkern muss ordnungsgemäß zusammengeklappt werden, um sicherzustellen, dass kein Luftspalt zwischen den beiden Teilen des Ferrits verbleibt. Ansonsten wird ggf. die Magnetisierung des Ferrits reduziert.

Blick in die Praxis

Für Kabel mit sperrigen Adaptern und Steckern sind große kreisförmige Ringkerne erhältlich. Der Innendurchmesser des Klappferrits ist groß genug, damit die Kabelenden innen durch den Ring geführt werden können. Flachbandkabel können auch innerhalb des Toroids gewickelt werden, um die Abschirmungsleistung zu verbessern. 

Eine Windung eines Drahtbündels in einem Ferritkern

Sieben Windungen eines Drahtbündels um kreisförmigen Ringkern

Bei Fragen zu RF-Tests können Sie gerne Averna kontaktieren.

--

By Peter Barabas

Senior Test Specialist – Engineering & Consulting

Das könnte Sie auch interessieren…

In diesem kostenlosen eBook (Infos nur in englischer Sprache) erfahren Sie, welche Strategien zur Bewältigung gängiger RF-Test-Herausforderungen angewendet werden und welche potenziellen Einschränkungen hierbei gelten!

Kontaktieren Sie unsere Fachleute oder stöbern Sie in unserem Ressourcencenter.