Grundlagen - Würth Elektronik

1.8 Unterscheidung EMV-Ferrit ↔ Induktivität
Über die Güte der Induktivität ist im Sprachgebrauch von Würth Elektronik eine klare
Trennung zwischen Induktivitäten und EMV-Ferriten definierbar:
EMV-Ferrite basieren auf Ni-Zn Werkstoffbasis. Im Frequenzbereich ab ca. 20 MHz
aufwärts ist das Kernmaterial auf kleine Güten (Q < 3) – also hohe Verluste getrimmt.
Diese entstehen im Kernmaterial und dienen zur Absorption von EMV-Störungen. Die
Induktivität dieser Bauteile ist bewusst niedrig gehalten.
EMV-Ferrite
Induktivitäten dagegen sollen hohe Güten aufweisen, also möglichst verlustfrei
a­ rbeiten und Energie im Magnetfeld zwischenspeichern. Außerdem sind hier über
einen weiten Frequenzbereich stabile Induktivitätswerte gefordert.
Induktivität
Die hervorgehobene Unterscheidung findet sich auch in der Gestaltung des Kataloges
von Würth Elektronik wieder.
1.9 Funktionsweise eines Übertragers
Ein Übertrager ist aufgebaut aus mindestens zwei Wicklungen mit den jeweiligen
­Windungszahlen NP primärseitig und NS sekundärseitig. Der Einfachheit halber betrachten wir einen idealen Übertrager mit einem Übersetzungsverhältnis 1 : 1.
Übertrager
Im ersten Schritt betrachten wir einen Übertrager mit offener Sekundärwicklung NS
(Abbildung 1.32). An Wicklung NP wird ein Spannungsstoß UP angelegt. Dieser erzeugt
wegen der Induktivität der Wicklung einen l­inear ansteigenden Stromfluss IP. Dieser
Stromfluss erzeugt ein magnetisches Feld H durch die Spule (Ampère’sches Gesetz).
Der magnetische Fluss Φ ist proportional zum Strom IP. Wicklung NS umschließt ebenfalls diesen magnetischen Fluss Φ. Durch die Änderung des ­magnetischen Flusses
wird in Wicklung NS eine Spannung US induziert (Faraday’sches Gesetz). Die Spannung
US stellt sich nach dem Verhältnis der Windungszahlen ein.
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I Grundlagen
Abb. 1.32:Prinzip eines Übertragers ohne Last. Zur Vernachlässigung von parasitären
Effekten ist dieser ideal bifilar gewickelt
(1.40)
Ein Stromfluss in Wicklung NS findet nicht statt, da die Wicklung offen ist.
Magnetisierungsstrom
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Schließen wir nun Wicklung NS an einen Lastwiderstand RL an (Abbildung 1.33),
erzeugt die in NS induzierte Spannung US einen Stromfluss durch den Lastwiderstand
(Ohm’sches Gesetz). Der Primärstrom IP setzt sich nun aus dem übersetzten Sekundärstrom und dem bereits ohne Last vorhandenen linear ansteigenden Magnetisierungsstrom zusammen.
Abb. 1.33:Gleicher Übertrager nun mit Last
Der Magnetisierungsstrom wird also nicht auf die Sekundärseite übertragen. Er wird
benötigt, um das Magnetfeld zu erzeugen. Ziel beim Übertragerdesign muss es daher
sein, den Magnetisierungsstrom möglichst klein zu halten.
Hierzu hat man zwei Möglichkeiten:
• Einführen eines hochpermeablen Kerns zur Erhöhung der Primär­induktivität. Dies
hat zur Folge, dass der Magnetisierungsstrom ­flacher ansteigt und somit kleiner ist
(Abbildung 1.34).
Abb. 1.34:Magnetisierungsstrom bei einem Übertrager mit bzw. ohne hoch­permeablen
Kern
• Man erzeugt kürzere Spannungsimpulse mit höherer Frequenz, da der Stromanstieg
am Ende des Spannungsimpulses aufhört und beim nächsten Impuls wieder an der
ursprünglichen Stelle beginnt (Abbildung 1.35).
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I Grundlagen
Abb. 1.35:Magnetisierungsstrom bei einem Übertrager bei unterschiedlichen
­Taktfrequenzen
Simulationsmodelle
2 Ersatzschaltbilder und Simulationsmodelle
Moderne Messgeräte, wie z.B. der Impedanz-Analysator HP4195A und ähnliche
Geräte, erlauben rechnergestützt einfache Ersatzschaltbilder zu finden und diese zu
optimieren.
Konstante Parameter für die Induktivität L, die Kapazität C und den Widerstand R sind
die Vorbedingung für eine Simulation von elektronischen Schaltungen. Ein falscher Ansatz bei der Fest­legung eines Ersatzschaltbildes führt zu mangelhaften oder falschen
Simulationsergebnissen.
Dabei stellen Ersatzbildgrößen in keinem Fall juristisch einklagbare, genau einzuhaltende Eigenschaften dar, sondern zeigen dem Anwender die ungefähre Lage von
Toleranzschwerpunkten. Dass diese Daten bisher nicht verfügbar waren, hängt viel mit
Prüffeld- und Vertriebstraditionen zusammen, die zukünftig durch anwenderfreundliche
Anstrengungen ersetzt werden sollen.
Elektronische Bauelemente, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Leitungen,
näherungsweise Ferritmaterialien und Isolierstoffe können durch Wechselstromgrößen hinreichend genau charakterisiert werden. Vo­raussetzung ist, dass sie ihre
Eigenschaften bei verschieden hohen Spannungen und Strömen nicht nennenswert
verändern oder im Kleinsignalbereich betrieben werden. Man spricht dann von linearen
Bauelementen im Gegensatz zu nichtlinearen Bauelementen wie Varistoren, Dioden,
Transis­toren u.v.m.
Durch die räumliche Ausdehnung im Aufbau der Bauelemente ergeben sich z.B. von
jedem Punkt der Oberfläche eines Leiters zu einem anderen Punkt kleine Teilkapazitäten. Leitungsstücke erzeugen bei Stromdurchfluss Magnetfelder und besitzen wegen
der in diesen Magnetfeldern gespeicherten Energie eine Teilinduktivität.
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Durch die endliche Leitfähigkeit von Kupfer, Silber, etc. oder die gezielt erzeugte
Leitfähigkeit der Schichtwiderstände, werden Teilwiderstände wirksam. Bei hohen
Frequenzen sind parallel laufende Leiter zudem als Stücke von Hochfrequenzleitern
anzusehen, die einen Wellenwiderstand, eine Signallaufzeit und evtl. eine Signaldämpfung besitzen.