Trefwoorden

 

Eigenschappen

Soorten

Wikkelfactor

HF-gedrag

Uitvoeringsvorm

Kleurcodering

Ferrieten in HOOGFREQUENT toepassingen

(Eerder gepubliceerd in Electron # 9, 2001)

 

 

 

Inleiding en overzicht

 

Ferrieten worden in het algemeen toegepast om hun elektromagnetische eigenschappen, en wel speciaal om hun magnetisch-veld concentrerende eigenschap. Ferriet materialen kunnen derhalve zeer bruikbaar zijn in HF-toepassingen. Velen kennen toepassing van ferrietmateriaal in mantelstroom-smoorspoelen en ook bij ontstoringsproblemen duiken ferrieten regelmatig op. Verder vindt men deze materialen vaak toegepast in brede-band transformatoren en aanpassingsnetwerken.

 

Ferriet is een keramisch product dat bestaat uit een verbinding van ijzeroxide met een andere metaaloxide. De poedervormige materialen worden eerst in een ruwe vorm geperst en vervolgens een of meerdere malen verhit tot temperaturen oplopend tot 1300 ˚C.

 

Ferrieten voor specifieke toepassingen krijgen hun eigenschappen door het toegevoegde oxide  van mangaan (Mn), zink (Zn), nikkel (Ni), kobalt (Co), koper (Cu), ijzer (Fe) of magnesium (Mg) en de precieze wijze van stoken (sinteren) en afkoelen.

 

 

Globale materiaal eigenschappen

 

Voor spoelkernmaterialen worden meestal MnZn en NiZn combinaties met ijzeroxide gebruikt, waarbij de eerste met een hogere werkingsgraad (permeabiliteit, m > 1000) voor lagere frequenties worden ingezet (< 3 MHz; Ferroxcube codering 3xx) en de laatste met een lagere permeabiliteit (100 < m < 1000) voor hogere frequenties (> 1 MHz; Ferroxcube codering 4xx).  Ferroxcube is de naam die de Philips ferrieten-afdeling heeft aangenomen nadat deze verzelfstandigd werd. We komen later terug op de toepassingsdetails van al deze ferriet soorten.

 

Natuurlijk zouden we graag een materiaal toepassen met een zo hoog mogelijke  permeabiliteit en een zo groot mogelijk frequentiebereik. Helaas blijkt er een zekere wetmatigheid tussen deze twee eigenschappen te bestaan. Kijken we naar de ferrimagnetische ‘resonantie’, het punt waarop de impedantie van een spoel op dit materiaal een maximum vertoont, dan vinden we dat het product van de begin-permeabiliteit en deze resonantie frequentie voor alle ferriet materialen binnen zekere grenzen gelijk is. We moeten dan ook voor een zekere maximale-frequentie-eis genoegen nemen met de bijbehorende permeabiliteit.

 

Ferriet materialen zien er na het sinteren allemaal ongeveer gelijk uit; het is een zeer hard, grijszwart materiaal waaraan niet meer is terug te zien waaruit het is samengesteld en welke behandeling het verder heeft ondergaan. Sommige fabrikanten komen ons (en misschien ook zichzelf) te hulp door deze materialen te omhullen met een kleurig laagje. We vinden daarom vaak (ring-)kern materiaal in allerlei vrolijke kleurtjes in de handel, die bij ferriet materiaal meestal helder van toon zijn. Helaas zijn deze kleuren niet gestandaardiseerd en heeft elke fabrikant zijn eigen codes of levert uitsluitend blank materiaal. Ook bij dezelfde fabrikant kunnen de kleuren  per  partij nog enigszins afwijken, zodat het toch vaak nodig blijkt om het ware materiaal zelf vast te stellen. Dit geldt te meer daar in nieuwe series deze kleurcoderingen zijn vervangen door een uniform, beige-kleurig parylene. 

 

De verschillende kernmaterialen hebben een sterk uiteenlopende elektrische  weerstand. Deze soortelijke weerstand ligt in de orde van Ω.m (ijzerpoeder, MnZn) tot meer dan 100 kW.m (NiZn). De kleurige laag (een nylon type (parylene  C bij Ferroxcube) zorgt daarom ook voor een goede elektrische isolatie met de kern, zodat wikkelingen niet worden kortgesloten op de vaak scherpe randen bij materiaal met een lage weerstand. Waar blanke materialen worden toegepast verdient het daarom in het algemeen aanbeveling om eerst een laagje isolatie (band) aan te brengen voordat met wikkelen wordt begonnen. Verder is bij materialen met een lage weerstand de invloed van de kern ook merkbaar in de toegenomen waarde van de parasitaire capaciteit, die parallel aan de spoel wordt gemeten.

 

De magnetisch-veld concentrerende eigenschap van ferriet wordt de permeabiliteit genoemd. Deze permeabiliteit heeft de eigenschap om toe te nemen met de temperatuur; een verandering in de m van 10 eenheden per ˚C is geen uitzondering. Dit effect kan gunstig zijn bij gebruik in smoorspoelen en transformatoren maar bepaald ongunstig bij gebruik in spoelen. Verder valt de m boven een bepaalde temperatuur sterk terug (de Curie temperatuur) en dat is altijd ongunstig, tenzij expliciet gebruikt als indicator. Gelukkig ligt dit Curie punt altijd boven de 100 °C en vaak zelfs boven de 200 °C, zodat we er in de praktijk weinig last van zullen krijgen.

 

Uiterlijk nauwelijks van ferrietkernen te onderscheiden zijn ijzerpoeder kernmaterialen. IJzerpoeder (Ferroxcube codering 2Pxx) heeft doorgaans een veel lagere permeabiliteit (2 < m < 100) maar ook een hoger ‘verzadigingsplafond’. Oudere ijzerpoeder materialen hadden vaak een lagere kwaliteitsfactor (Q < 20) maar dit werd verbeterd in meer moderne soorten. Het nieuwere Carbonyl-type ijzerpoedermateriaal is bedoeld voor hogere frequenties en haalt daar ook een hogere Q.  Het LF ijzerpoeder materiaal wordt meestal gebruikt in toepassingen waar grote stromen kunnen worden verwacht, b.v. netfilters. Ook van dit ijzerpoeder materiaal worden kernen met ietwat verschillende eigenschappen geproduceerd. Ter onderscheiding en ditmaal ook als roest- bescherming, worden weer gekleurde coatings toegepast, nu echter meestal donker van toon.

Meer informatie over dit laatste materiaal is te vinden in het hoofdstuk over ijzerpoeder spoelkernen.

 

 

Globale indeling

 

Na bovenstaande inleiding vinden we in tabel 0 een overzicht van enkele veel gebruikte groepen van materialen en hun globale eigenschappen.

 

De ferrietgroep van de Mangaan-Zink (MnZn) ferrieten kenmerkt zich door een (zeer) hoge permeabiliteit (mi) en een lage ferrimagnetische resonantie frequentie (fr). Toepassingen vinden we vaak bij spoelen in het LF gebied ('vroeger' in de telefonie) en nog steeds voor ontstoringsdoeleinden (Electro-Magnetische Compatibiliteit).

 

Bij de groep van de Nikkel-Zink (NiZn) ferrieten vinden we een gemiddeld hoge permeabiliteit en een hoge ferrimagnetische resonantie frequentie. Deze groep is bij uitstek geschikt voor toepassingen in transformatoren en spoelen in het HF gebied.

 

De ijzerpoeder groep vertoont een lagere permeabiliteit en lage toepassingsfrequentie. Dat we dit (al wat oudere) materiaal toch nog wel tegen komen komt door de relatief hoge verzadigingstolerantie (zie Bsat). Hierdoor vinden we dit materiaal veelal toegepast in laag-frequentie transformatoren, b.v. voor netspanningdoeleinden.

 

De carbonyl materialen vertonen de laagste temperatuur coëfficiënt (Tco) maar ook de laagste permeabiliteit en (daarom) de hoogste toepassingsfrequentie. Dit materiaal is hierdoor geschikt voor toepassingen in hoog-stabiele spoelen in het lagere HF gebied en in transformatoren voor de hogere HF banden. Voor het gehele HF gebied kunnen ze meestal niet concurreren tegen de groep van de NiZn ferrieten.

 

Een hoge permeabiliteit hangt wetmatig samen met een lage ferrimagnetische resonantie frequentie en daarom zullen we dus steeds een optimaal compromis moeten zien te vinden voor onze toepassing.

 

Er is verder een groot verschil in het temperatuurbereik van de diverse materialen.

De maximale toepassingstemperatuur van de ferrietgroepen hangt samen met de z.g. Curie-temperatuur, waarboven het materiaal zijn prettige, hoge-μ eigenschappen verliest. De ijzerpoeder materialen kennen een maximale temperatuur die samenhangt met het productieproces. Hierbij wordt ijzerpoeder met een bindermateriaal tot uitharding gebracht en juist dit laatste beperkt de maximale toepassingstemperatuur tot ca 70 C. Oppassen dus bij hoge temperatuur toepassingen en in vermogens schakelingen (zelfverwarming door interne verliezen).

 

 

 

type

mi

fr  (MHz)

Tco (ppm/K)

0 – 50 ºC

Tmax (ºC)

Bsat (mT)

 

MnZn

Ferriet

3E8

18.000

.4

+ 3850

100

350

3E1

3.800

.6

+ 4620

125

400

3F4

900

4.5

+ 4130

220

450

NiZn

ferriet

4A11

700

5.5

+ 7950

125

350

4B1

250

25

+ 2920

250

310

4C65

125

45

+ 1650

350

400

Elektrolytisch

ijzerpoeder

2P90

90

ca .5

- Laag

140

1600

2P65

65

ca .7

- Laag

140

1150

2P40

40

ca 1

- Laag

140

950

Carbonyl

(ijzerpoeder)

Grade 3

35

ca 50

- 370

75

Medium

Grade 1

20

ca 100

- 280

75

Medium

Grade 2

10

ca 150

- 95

75

Medium

 

Tabel 0: Globaal overzicht van de toepassingsgebieden.

 

 

Enkele materialen

 

Een kleine greep uit de vele verschijningsvormen uit de ferrietgroep (NiZn en MgZn) vinden we in de navolgende foto. Vormen variëren van de bekende ringkernen, via de meergatskernen (varkensneusje) en ferriet staf tot aan de meer specifieke vormen, die ook geproduceerd worden op specificatie van de toepassingsfabrikant (b.v. afbuig-"schalen" in TV beeldbuizen en beeldmonitoren).

 

 

 

 

Een kleine greep uit het assortiment van Ferroxcube

 

 

                         

Enkele ferriet ringkernen en toepassingsfactoren

 

Hieronder vinden we een overzicht van veel gebruikte (ring-kern) ferriet materialen en de toepassingsfactor die de uiteindelijke zelfinductie bepaalt, samen met het aantal windingen. De tabel is beslist niet uitputtend. De genoemde kleuren zijn die van de fabrikant Ferroxcube en kunnen wat anders uitvallen per productie-eenheid. Tegenwoordig is deze kleurcodering vervangen door een uniforme beige coating.

De toepassing van de getalletjes volgt uit een voorbeeld, direct na te tabel.

 

Let op: De gevonden waarden voor de zelfinductie gelden zolang het materiaal op een (veel) lagere frequentie wordt gebruikt dan zijn ferrimagnetische resonantie frequentie. Voor gebruik op hogere frequenties dienen we rekening te houden met de frequentie-afhankelijke grootheden in tabel 2.

 

 

 

Afmeting

3E25 P

3C11 P

3C81 P

3C90 P

3F3 P

3S4 P

3F4 P

4A11 P

4C65 P

buiten diameter/ binnen diameter/

oranje

wit

bruin

ultra

marijn

blauw

blank

 

beige

roze

violet

dikte  (mm)

T35 S

N30 S

N41 S

N68 S

 

31 F

N47 S

43 F

61 F

6/4/2.

890*

 

 

 

325*

275*

 

114*

20*

4/2.2/1.6

1050*

 

 

 

380*

325*

 

134*

24*

10/05/04

2250

1750

 

940

740

 

 

286

52

13/7/5.4

2810

2200

 

1170

900

 

460

360

64

16.7/8.7/6.8

3540

2700

 

1480

1160

 

 

450

 

29.7/18.2/8.1

3550

2700

 

1460

 

 

 

 

 

22.4/13.5/6.6

 

 

1650

1400

 

 

 

 

75

23.7/13/7.5

3820

3000

 

1600

1250

 

 

485

87

20.6/9.2/7.5

5340

4150

 

2230

 

 

 

 

121

25.8/14/10.6

5620

4400

 

2350

1840

 

 

 

 

42.1/25.9/12.8

6425

5000

 

2690

 

 

 

820

 

58.7/40.5/17.9

6900

5400

 

2890

 

 

 

 

 

32.2/18.1/13

6950

5450

 

2910

2270

 

 

 

 

36.9/22.9/15.7

7390

5800

 

3090

2420

2285*

 

940*

170

140/106/25

7700

 

 

 

 

 

 

 

 

102.4/65.5/15.3

7900

5300

 

 

 

 

 

 

165

73.9/38.6/13

8060

 

4350

3620

2900

 

 

 

 

51/31.5/19.3

8890

 

4800

3980

3200

 

 

 

 

107/64.7/18.3

9900

 

 

 

 

 

1354

 

 

55.8/32.1/18.3

10620

 

 

 

 

 

 

1350

 

63.4/37.7/25.3

13900

 

 

 

4550

 

 

 

 

                                   * Deze maat blank materiaal

                                   P = Ferroxcube, S = Siemens, F = Fair Rite

                                   Al in nH bij DC: vermenigvuldigen met n2 en frequentie afhankelijkheid

 

 

 

                                                               Tabel 1: Ringkernen en de toepassingsfactor.

 

 

Toepassing van tabel 1

 

Stel dat we voor een filter een zelfinductie nodig hebben van 10 milli-Henri en we vinden in de junkbox een oranje ferrietring met afmetingen 25,8 x14 x 10,6 mm (buitendiameter, binnendiameter, dikte). In tabel 1 vinden we dan voor AL een waarde van 5620 nH. Op deze kern moeten we dan (formule 7):

         _____          _________________

n = \/ L / AL   =  \/ 10 .10 -3 / 5620 .10 -9   =  42 windingen leggen voor 10 mH.

 

We hoeven dus niet eens erg dun draad te vinden om deze spoel te kunnen  maken. We kunnen tabel 1 gebruiken voor frequenties beneden enkele tientallen kilohertz en bij kleine uitsturingen.

 

Als we nooit naar hogere frequenties gaan, hoeven we niet verder te lezen en kunnen we volstaan met het inslaan van een voorraadje oranje kernen van diverse afmetingen (3E25: hoogste permeabiliteit uit onze tabel, hoewel Ferroxcube en andere fabrikanten nog wel hogere kunnen maken voor specifieke LF toepassingen).

 

 

Ferrietmateriaal op hogere frequenties

 

Op hogere frequenties, d.w.z. op frequenties die hoger zijn dan ca 1/10 van de ferrimagnetische resonantie frequentie (zie gegevens van de fabrikant) kunnen we niet meer volstaan met de gegevens uit tabel 2. We dienen nu ook de frequentie afhankelijke eigenschappen van de permeabiliteit en de verliezen mee in beschouwing te nemen in hun onderlinge verhouding. Hiervoor geeft tabel 2 een overzicht van enkele veel gebruikte materialen. Voor detail informatie over de betekenis van de diverse grootheden en hun toepassing gelieve men het hoofdstuk "Achtergronden en materiaal eigenschappen" te raadplegen.

 

 

 

 

 

 


Ferriet materialen, gedrag als functie van de frequentie

 

 

 

mi

 

1.5

4

7

10

15

20

30

40

50

 

 

 

MHz

MHz

MHz

MHz

MHz

MHz

MHz

MHz

MHz

3E25

 

 

6000

m'

420

40

10

4

1

1

1

1

1

=

 

 

 

m"

2500

600

320

240

160

130

90

75

60

T35 S

 

 

 

mC

2535

601

320

240

160

130

90

75

60

3C11

 

 

4300

m'

380

45

10

3

1

1

1

1

1

=

 

 

 

m"

2100

420

350

250

180

140

100

80

60

N30 S

 

 

 

mC

2134

422

350

250

180

140

100

80

60

3C81

 

 

2700

m'

2200

160

30

10

3

2

1

1

1

=

 

 

 

m"

1800

1300

600

350

170

100

60

40

25

N41 S

 

 

 

mC

2843

1310

601

350

170

100

60

40

25

3B7

 

 

2300

m'

1500

190

65

31

15

8

1

1

1

=

 

 

 

m"

1500

1700

800

500

280

200

120

80

60

N22 S

 

 

 

mC

2121

1711

803

501

280

200

120

80

60

3C90

 

 

2300

m'

1700

290

75

35

13

8

3

2

1

=

 

 

 

m"

1700

1500

450

260

150

90

45

30

20

N68 S

 

 

 

mC

2404

1528

456

262

151

90

45

30

20

3F3

 

 

2000

m'

2600

250

48

30

25

20

17

15

12

 

 

 

 

m"

1100

1800

450

220

150

130

90

70

60

 

 

 

 

mC

2823

1817

453

222

152

132

92

72

61

3S4

 

 

1700

m'

1600

650

330

210

150

120

95

85

75

=

 

 

 

m"

800

700

500

500

300

280

200

160

140

31 F

 

 

 

mC

1789

955

599

542

335

305

221

181

159

3F4

 

 

900

m'

1100

1000

360

100

20

12

4

1

1

=

 

 

 

m"

20

350

800

750

400

300

120

70

45

N47 S

 

 

 

mC

1100

1059

877

757

400

300

120

70

45

3B1

 

 

900

m'

1100

650

350

210

120

75

40

27

20

 

 

 

 

m''

180

580

590

500

380

300

200

160

120

 

 

 

 

mC

1115

871

686

542

398

309

204

162

122

3D3

 

 

750

m'

800

900

550

200

50

30

12

5

1

 

 

 

 

m"

25

250

700

600

300

200

110

80

60

 

 

 

 

mC

800

934

890

632

304

202

111

80

60

4A11

 

 

700

m'

900

690

400

280

150

110

65

50

40

 

 

 

 

m"

170

490

490

450

390

320

250

200

170

 

 

 

 

mC

916

846

633

530

418

338

258

206

175

43 F

 

 

850

m'

600

400

310

270

200

140

95

65

48

 

 

 

 

m"

170

280

270

250

210

200

170

140

120

 

 

 

 

mC

624

488

411

368

290

244

195

154

129

4B1

 

 

250

m'

260

280

290

280

220

200

120

100

75

 

 

 

 

m"

3

10

42

95

150

170

180

170

150

 

 

 

 

mC

260

280

293

296

266

262

216

197

168

4C65

 

 

125

m'

125

125

125

130

150

160

150

120

100

=

 

 

 

m"

0

0

1

2

5

10

45

95

120

61 F

 

 

 

mC

125

125

125

130

150

160

157

153

156

65 F

 

 

100

m'

100

100

100

100

120

140

160

160

140

 

 

 

 

m"

0.5

1

1

1

4

9

31

64

88

 

 

 

 

mC

100

100

100

100

120

140

163

172

165

Cursief

 geëxtrapoleerd

 

 

m' , m''

  inductie en verliezen in serie schakeling

mC

 vectorsom van m' en m''

S

Siemens type

F

 Fair Rite type

 

                                                                              Tabel 2: Ferriet materialen en permeabiliteit

 

 

 

 

Andere uitvoeringsvormen

 

In tabel 3 geven we nog een kleine greep uit het assortiment ferrietvormen die we regelmatig tegenkomen in onze HF omgeving en de voor deze vormen meest gebruikte ferrietsoorten. Er zijn natuurlijk veel meer vormen (e.g. potkernen, lijn-tranformator delen, afbuig schalen etc), die we echter in het kader van dit HF verhaal verder niet zullen behandelen.

 

 

 

Andere vormen van HF-ferrieten

 

Vorm

uitvoering

materiaal

 

Staaf

 

3B1, 4B1

Buis

 

3B1, 4B1, 3C90

Kraal

 

3S1, 4S2

Dubbelgat kraal

rond

4B1

Dubbelgat kraal

vierkant

3C90, 4A11

Varkensneus

afgerond

4B1, 3C90

6 gat kraal

rond

3B1, 4B1

6 gat kraal

vierkant

3B1

Kabel 'hoes'

flat cable

3S4

Kabel 'hoes'

ronde kabel

4S2 (=4A11)

 

 

 

                                                                  Tabel 3: Andere ferriet vormen

 

 

Kleurcodering

 

Tenslotte nog iets over kleurcoderingen. In de navolgende tabel 4 vinden we een aantal kleuren van veel gebruikte ferriet (ring-kern) materialen. Bij deze tabel passen overigens wel een aantal kanttekeningen.

Het genoemde kleurenschema geldt voor de 36 mm. ringkern van de firma Ferroxcube. De firma is echter niet helemaal consequent met deze codering omdat b.v. het 4A11 materiaal de kleur roze heeft bij afmetingen kleiner dan 36 mm., 'ongecoat' is (donker grijs) bij de 36 mm. maat en roze/wit is bij enkele grotere maten. Ik bezit overigens zelf enige 36 mm. ringkernen van 4A11 materiaal met de kleur 'roze' van Ferroxcube.

 

Ook bij de andere ferriet materiaaltypen zijn dergelijke kleurverschuivingen te zien. Verder blijkt dat ook binnen een bepaalde kleur (b.v. paars bij 4C65 materiaal) veel kleurnuances voorkomen waardoor het moeilijk is dit als één type te herkennen. Als eerder gemeld heeft de firma Ferroxcube onlangs besloten om de kleurcodering in de toekomst helemaal weg te laten en een uniforme, beige coating aan te brengen.

 

 

Materiaal

kleur

 

 

3C81

bruin/wit

3C90

ultra-marijn

3E1

groen

3E5

wit / geel

3E6

paars/wit

3E25

oranje

3E27

groen/wit

3F3

blauw

3F4

bruin-beige

3S4

ongecoat

4A11

ongecoat / roze

4C65

violet

 

 

                               Tabel 4: Kleurcodering van enkele veel gebruikte (ringkern) ferriet materialen.

 

Als we verder nog weten dat elke firma die ferriet (en ijzerpoeder) materiaal levert (ik ken er al meer dan vijftig in de wereld), zo zijn eigen gedachten heeft over kleurschema's, dan is duidelijk dat we niet op de kleur kunnen af gaan als we een bepaald type materiaal willen aanschaffen. De handelaar zal ons daarom het materiaaltype moeten kunnen garanderen of anders moeten we het zelf even nameten m.b.v. de methodes in het hoofdstuk "Zelf meten aan spoelkern materialen". 

 

 

Bob J. van Donselaar

mailto:on9cvd@amsat.org