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Passive und E-Mechanik
Stromkompensierte Drosseln punkten mit einer hohen Dämpfung im nieder-
und hochfrequenten Bereich.
der Permeabilität. Diese Kombination verknüpft mit einer Sättigungsflussdichte
von 1,2 Tesla sowie günstige thermische Eigenschaften
machen das nanokristalline weichmagnetische High-
Tech-Material Vitroperm zur Lösung für EMV-Probleme, die konventionellen
Ferriten und amorphen Werkstoffen in vielen Punkten
überlegen ist.
Im Vergleich: Vitroperm versus Ferrit
Vitroperm unterscheidet sich in seinen Eigenschaften ganz wesentlich
von herkömmlichen Ferritmaterialien. Um zu einer optimalen
Lösung zu kommen, muss dieser Fakt bei der Filterauslegung
berücksichtigt werden. Die Permeabilität von Vitroperm
500F liegt im niederfrequenten Bereich deutlich höher als die
von Ferrit. Zu höheren Frequenzen zeigen die nanokristallinen
Materialien einen weniger starken μ-Abfall. Bei Ferriten weist
μ(f) einen flachen Verlauf in dem Bereich von einigen hundert
Kilohertz bis etwa einem Megahertz auf. Hier bestimmt μ’ die
Dämpfungseigenschaften und die Induktivität L dominiert für
die Impedanz |Z|. Liegt die Eigenresonanz der Drossel in diesem
Frequenzbereich, so ist die Dämpfungskurve schmalbandig und
die Dämpfung erfolgt vor allem durch Reflexion des Störsignals.
Erst oberhalb von 1 MHz übernimmt Re(Z) den Hauptanteil der
Dämpfung und μ’’ dominiert das Geschehen. Liegt die Eigenresonanz
in diesem Bereich, wird die Dämpfungskurve zunehmend
breitbandiger.
Bei Vitroperm reicht der flache Bereich von μ(f) je nach Permeabilitätsniveau
bis zu Frequenzen von einigen zehn Kilohertz. Die
Dämpfung beziehungsweise die Impedanz wird folglich bereits bei
diesen Frequenzen von Re(Z) dominiert und erfolgt im EMV-relevanten
Bereich oberhalb der 150 kHz immer breitbandig. Die Induktivität
spielt nur eine untergeordnete Rolle und beschreibt das
Dämpfungsverhalten nur anteilig. Maßgeblich ist der komplette
Betrag der Impedanz. Die für Ferritdrosseln mögliche Näherung
|Z|=ωL ist für Vitroperm-Drosseln nicht möglich: hier gilt |Z|>>ωL.
Die Dämpfung erfolgt weniger durch Reflexion, sondern vor allem
durch Absorption des Störsignals.
Im Blickpunkt: Impedanz und Wärmeverhalten
Eine hohe Impedanz lässt sich besser durch den Einsatz eines
hochpermeablen Kernmaterials erzielen als durch eine Erhöhung
der Windungszahl, weil eine kleine Windungszahl zu einer niedrigen
Wicklungskapazität und dadurch zu verbesserten HF-Eigenschaften
führt.
Beispiel: Mit optimierten und kapazitätsarmen Drosseln der Vacuumschmelze
lassen sich bei gleichem Materialeinsatz deutlich
Die Einfügedämpfung einer Drossel aus Vitroperm 500F bleibt im Temperaturbereich
von -40 bis über 150 °C nahezu temperaturunabhängig.
Die Werkstoffeigenschaften
von Vitroperm
auf einen Blick.
bessere Hochfrequenzeigenschaften erreichen. Die Sättigungsflussdichte
von Vitroperm ändert sich im Anwendungstemperaturbereich
bis 150 °C um wenige Prozent, während Mangan-Zink-
Ferrite bis 100 °C um bis zu 40 Prozent abfallen. Durch die hohe
Curie-Temperatur von mehr als 600 °C darf die maximale Arbeitstemperatur
von Vitroperm zeitlich befristet 180 bis 200 °C erreichen.
Die Einfügedämpfung oder auch die Impedanz einer Drossel
aus Vitroperm 500F bleibt im Temperaturbereich von minus 40 bis
über plus 150 °C nahezu temperaturunabhängig. Bei Ferritdrosseln
ist mit steigender Temperatur eine deutliche Abnahme der
Einfügedämpfung zu verzeichnen.
Das Sättigungsverhalten betrachten
Durch hohe Induktivitäten in kompakten Drossel- und Kernabmessungen
erhöht sich allerdings die Empfindlichkeit gegen unsymmetrische
Magnetisierungsbedingungen, die durch Common-
Mode, Unsymmetrie- oder Ableitströme verursacht werden. Bei
Vitroperm wirkt sich die im Vergleich zu Ferriten ungefähr dreimal
höhere Sättigungsflussdichte von 1,2 Tesla äußerst vorteilhaft
aus. Der Entwickler muss jedoch das für den spezifischen Anwendungsfall
passende μ-Niveau auswählen, um eine sättigungsfeste
Lösung zu finden.
Fazit: Die Materialeigenschaften nanokristalliner Kernwerkstoffe
ermöglichen stromkompensierte Drosseln mit hoher Induktivität
bei niedrigen Windungszahlen. Deshalb eignen sich Vitroperm-
Drosseln bei hohen Strömen und bei hohen Spannungen gleichermaßen.
Das Hanauer Unternehmen stellt weiterführende Informationen
zu Kernen und stromkompensierten Funkentstördrosseln
in seiner Applikationsschrift „Nanokristallines Vitroperm – EMV-
Produkte“ zur Verfügung. (eck) n
Der Autor: Roman Klinger, Produktmarketing Industrie-
Anwendungen Kerne und Bauelemente bei der
Vacuumschmelze in Hanau.
62 elektronikJOURNAL 02/2011
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Bilder: Vacuumschmelze