Ferritkern

Ferritkern

Dieser Artikel behandelt Ferritkerne aus weichmagnetischen Ferrite. Für die hartmagnetische Form siehe Ferritkernspeicher.

Ein Ferritkern ist Teil eines elektrisches Bauelementes und besteht aus weichmagnetischen Ferrit, das als Kern einer Spule (Drossel oder Transformator) deren Induktivität erhöht und so das magnetische Feld führt.

Im einfachsten Fall besteht die Spule oder Wicklung nur aus einem durch einen Ring- oder Lochkern hindurchgeführten Draht oder einer elektrischen Leitung.

Verschiedene Bauformen von Ferritkernen

Ferritkern als Entstörfilter

Mantelwellenfilter

Ferritkerne als Mantelwellenfilter zur Störungsunterdrückung
Geteilter Ferritkern (Klappferrit), der nachträglich an ein Kabel angebracht werden kann

Elektronische Geräte, die hochfrequente Störungen verursachen, wie z. B. Computer, können hochfrequente Energie über angeschlossene Kabel unerwünschterweise abstrahlen. Dabei wird die Störung als Mantelwelle, also als Gleichtaktstörung aus dem Gerät geführt und vom Kabel abgestrahlt – das gesamte Kabel bzw. dessen Abschirmung wirkt dabei als Antenne.

Um diese Störungen zu dämpfen, werden die Kabel im gesamten Querschnitt (ggf. auch mehrfach) durch einen Ferritkern geführt. Für die Gleichtaktstörung wirkt diese Anordnung durch ihre Induktivität wie eine Drossel mit einer bzw. ggf. mehreren Windungen. Das Nutzsignal jedoch, welches als Gegentaktsignal übertragen wird, sieht keine Induktivität, da sich die Magnetfelder der auf verschiedenen Adern innerhalb des Kabels hin- und rückfließenden Ströme kompensieren. Die Wirkungsweise entspricht derjenigen von stromkompensierten Drosseln, die oft ebenfalls aus Ringkernen aufgebaut sind.

Mantelwellenfilter werden z. B. bei folgenden Kabeln benutzt:

  • USB-Kabel (besonders bei USB 2.0)
  • IEEE-1394-Kabel (FireWire)
  • VGA-Kabel
  • HDMI-Kabel
  • Zuleitung und Ausgangsleitungen von Schaltnetzteilen
  • Flachbandkabel in Geräten (Flachbandkabelferrite)

Zum nachträglichen Anbringen von Entstörkernen um Leitungen gibt es geteilte, rastbare Ring- und Flachbandkabelferrite, welche an elektrischen Leitungen angebracht werden können. Diese Mantelwellenfilter werden auch als Klappferrite bezeichnet [1].

Mantelwellenfilter werden meistens aus Materialien wie Eisen-Nickel-Zink hergestellt aber es gibt sie auch aus Eisen-Mangan-Zink. Erstere sind als Filter gegen Störungen von 10 MHz bis zu 2 GHz geeignet, zweitere sind eher gegen Störungen im unteren Frequenzbereich von 500 kHz bis 20 MHz anzuwenden.

Für ein Leitungsbündel zwischen zwei Geräten, von denen nur ein Gerät geerdet ist, wirkt ein Mantelwellenfilter im Allgemeinen nicht. Bei einer solchen Konfiguration breiten sich Mantelwellen als Stehende Welle aus. Bei stehenden Wellen wirken Ferritkernmantelwellenfilter nur an den Orten, an denen sich in Abhängigkeit von Frequenz und Wellenlänge ein Strombauch, aber nicht dort, wo sich ein Stromknoten einstellt.

Mantelwellenfilter gibt es für unterschiedliche Frequenzbereiche und Drahtquerschnitte.

Störunterdrückung durch Ferritperlen

Zwei Ferritperlen mit durchgestecktem Draht (1 Windung)
Charakteristischer Verlauf der Impedanzkennlinie
Z … Gesamtimpedanz
XL … Induktiver Anteil
R … ohmscher Anteil

Um hochfrequente Störungen auf Leitungen zu dämpfen, die Signale niedriger Frequenz oder Gleichspannungen führen, z. B. Stromversorgungsleitungen oder Leitungen von RS-232-Signalen (Serielle Schnittstelle), werden die Signaladern – im Gegensatz zu den Mantelwellenfiltern – einzeln durch Ferritperlen geführt. Andere Bezeichnungen sind Dämpfungsperle (engl. ferrite bead). Es gibt hierfür auch Kerne mit mehreren Löchern, durch die bereits Drähte geführt sind.

Deren vom Zweck her identischer, aber im Aufbau abweichendes Pendant in SMD-Bauform trägt die Bezeichnung SMD-Ferrit.

Ferritkerne, durch welche Leiter geführt werden, wirken wie eine Drossel mit geringer Induktivität. Bei sehr hohen Frequenzen wirkt das Bauteil wie eine Induktivität mit starken Verlusten und großem Blindwiderstand. Die Verluste verhindern Resonanzen mit Parasitär- und Leitungskapazitäten. Aus diesem Grund eignen sich Induktivitäten mit hoher Güte meist nicht gut als Störfilter.

Hinzu kommt die im Vergleich zur Luft hohe Permeabilität des Ferritmaterials und damit geringere Windungszahl bei vergleichbarer Induktivität. Wenige oder eine Windung bedeutet eine geringere Parasitärkapazität und entsprechend geringere Koppelkapazität.

Ferritperlen dämpfen hochfrequente Störimpulse auf Signal- und Versorgungsleitungen von Geräten beziehungsweise reduzieren deren Austreten aus dem Gerät bzw. die Ausbreitung auf den angeschlossenen Leitungen. Steile Flanken und Überschwinger des Signals werden abgeflacht und verringern die durch sie entstehenden Störungen. Auch die Drahtbeine elektronischer Bauelemente werden erforderlichenfalls damit versehen, um Störungen am Ort ihres Entstehens zu vermindern. Ein Beispiel ist die Verringerung der Auswirkungen der Sperrerholzeit von Dioden.

Diese Art der Filterung erfolgt am oder im Gerät in unmittelbarer Nähe der Steckverbinder. Hierfür gibt es Steckverbinder mit einem eingebauten großen Stück Ferrit, welches mit Löchern für jeden Stift versehen ist.

Ferritkerne in Spulen

Ersatzschaltbild verdeutlicht den Kennlinienverlauf
Schalt-Symbol

In Hochfrequenz-Spulen, zum Beispiel in Bandfiltern, werden Ferritkerne zum Abgleichen bzw. Einstellen der Induktivität benutzt. Sie sind hierzu mit Gewinden versehen, um sie mit einem Werkzeug im Inneren der Spule verschieben zu können.

Kerne für Drosseln, Übertrager und Transformatoren

Siehe hierzu auch Eisenkern.

Bei höheren Frequenzen (etwa ab einigen kHz) bestehen die Kerne von Entstör- und Speicherdrosseln, Transformatoren und Übertragern zweckmäßigerweise aus Ferrit. Man bezeichnet sie als Ferritkern, obwohl sie sich meist nicht nur im Inneren der Wicklungen befinden, sondern diese oft als geschlossener Magnetkreis umgeben. Beispiele sind[2]:

  • E-Kerne, auch ELP-Kerne, EFD-Kerne, ETD-Kerne usw., auch als EI-Kombination
  • EQ-Kerne, PM-Kerne, ER-Kerne und EP-Kerne (Zwischenform zwischen E- und Topfkern)
  • Topfkerne oder Schalenkerne
Schalenkern

Für diese Kerne gibt es meist passende Wickelkörper oder Spulenkörper, die das Vorfertigen, die isolierte Montage der Wicklung auf dem Kern sowie das Anschließen der Wicklung, z. B. auf einer Leiterplatte, gestatten. Die Wicklung kann jedoch speziell bei ELP-Kernen auch aus Leiterzügen einer Leiterplatte bestehen (Planartransformator).

Bei Ringkernen (luftspaltlos geschlossener Magnetkreis), Stabkernen und Trommelkernen (jeweils offener Magnetkreis) wird die Wicklung ohne Spulenkörper um den Kern gewickelt, der zu diesem Zweck oft eine Isolierschicht trägt.

UT- und ET-Kerne[3] werden für stromkompensierte Drosseln verwendet; es sind nicht demontierbare, luftspaltlose UU- bzw. EE-Kerne mit großem Wickelraum und dünnem Mittelsteg, um welchen ein geteilter Spulenkörper gerastet werden kann, der so montiert bewickelt wird, indem er auf dem Steg gedreht wird. Er hat dazu seitlich ein Zahnrad angeformt.

UU- oder UI-Kerne tragen Wicklungen auf einem oder beiden Schenkeln.

Je nach Verwendungszweck werden geteilte Kerne, d. h. außer UT- und Ringkernen, mit oder ohne Luftspalt gefertigt bzw. montiert.

Ferritkerne für die Bestückung vom Leiterplatten als eigenständiges Bauelement in Oberflächenmontagetechnik werden als SMD-Ferrite bezeichnet.

Kenngrößen

Ferritkerne sind durch Material und Form gekennzeichnet. Ringkerne können eine Isolierschicht aufweisen. Das Material hat folgende wichtige Kenngrößen:

  • Permeabilitätszahl
  • Sättigungsinduktion
  • Verluste (Wärmeleistung pro Volumen) abhängig von Frequenz und Induktion

Die Form bestimmt zusammen mit dem Material folgende Kenngröße (abhängig vom Luftspalt):

  • Al-Wert (Induktivität pro Quadratwindung)

Weitere Kenngrößen sind der Kernquerschnitt, die effektive Eisenweglänge und der Wicklungsquerschnitt (Wickelfenster).

Siehe auch

  • Pulverkern
  • Mantelstromfilter

Literatur

  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9.
  • Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982 ISBN 3-446-13553-7.
  • Helmut Röder, Heinz Ruckriegel, Heinz Häberle: Elektronik 1.Teil, Grundlagen Elektronik. 8. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1980, ISBN 3-8085-3178-9.
  • Aktive und passive Bauelemente der Elektronik. 1. Auflage, Institut zur Entwicklung moderner Unterrichtsmethoden e. V., Bremen, 1979.
  • Trilogie der induktiven Bauelemente: Applikationshandbuch für EMV Filter, Schaltregler und HF-Schaltungen. Swiridoff Verlag, ISBN 978-3-89929-151-3.

Weblinks

 <Lang> Commons: Ferritkerne – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Applikationsschrift Würth Elektronik: Trilogie der Induktivitäten. 3. Auflage. Swiridoff, ISBN 3-934350-30-5, S. 109.
  2. Bürklin
  3. softferrite.de: Ferritkerne UU Kern, UF Kerne, UI Kern, UT Kern, Softferrite
el:Συσκευή φερρίτη

pt:Memória de ferrite


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