Φίλτρο φερρίτη

Το φίλτρο φερρίτη (γνωστό και απλώς ως «φερρίτης» ή δαχτυλίδι φερρίτη, αγγλικά: ferrite bead‎ ή αγγλικά: ferrite choke‎) είναι ηλεκτρονικό εξάρτημα που τοποθετείται γύρω από ένα ηλεκτρικό αγωγό ή καλωδίωση, με σκοπό την εξασθένηση των εναλλασσόμενων ρευμάτων υψηλής συχνότητας, τα οποία είναι υπεύθυνα για ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (αγγλικά: EMI, electromagnetic interference‎) σε ηλεκτρονικές συσκευές. Τα ρεύματα αυτά μπορεί να τα παράγει είτε η ίδια η συσκευή, είτε να προέρχονται από το εξωτερικό περιβάλλον (ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος και παρεμβολές από άλλες συσκευές). Το εξάρτημα αυτό έχει ευρύτατη χρήση στα σημερινά ηλεκτρονικά κυκλώματα, καθώς οι ολοένα και αυστηρότερες διεθνείς προδιαγραφές ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC, electromagnetic compatibility) επιβάλλουν τον έλεγχο των εκπεμπόμενων παρεμβολών που αναπόφευκτα παράγουν όλες οι σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές, καθώς και υψηλή αντοχή (αγγλ. immunity) των ηλεκτρονικών συσκευών σε εξωτερικές παρεμβολές από το περιβάλλον στο οποίο λειτουργούν.

 Το φίλτρο φερρίτη (συχνά αποκαλούμενο απλώς φερρίτης) βασίζεται στη χρήση μαγνητικού υλικού προκειμένου να παρουσιάσει μεγάλη σύνθετη αντίσταση στο εναλλασσόμενο ρεύμα που διαρρέει έναν ηλεκτρικό αγωγό (φερρίτης είναι κοινή ονομασία των μιγμάτων σιδηρούχων κεραμικών με χημικό τύπο AFe2O4 σε συνδυασμό, συνήθως, με νικέλιο και ψευδάργυρο ή μαγγάνιο και ψευδάργυρο). Πρόκειται ουσιαστικά για επαγωγικό στοιχείο του οποίου η υψηλή ηλεκτρική αντίσταση στις υψηλές συχνότητες (αποκαλούμενη σύνθετη αντίσταση ή εμπέδηση) έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των απωλειών και, κατά συνέπεια, το φιλτράρισμα (εξασθένιση) των εναλλασσόμενων ρευμάτων υψηλών συχνοτήτων. Η σημαντικότερη διαφορά των φίλτρων φερρίτη από τα απλά πηνία είναι ότι, στα πρώτα, το υλικό του πυρήνα είναι επίτηδες φτιαγμένο έτσι ώστε όχι μόνο να αυξάνει την αυτεπαγωγή αλλά και να προκαλεί πραγματικές (θερμικές) απώλειες στο εναλλασσόμενο ρεύμα που το διαρρέει. Γι αυτό το λόγο, η εμπέδηση ενός φίλτρου φερρίτη έχει όχι μόνο επαγωγικό (όπως, κατά βάση, σε ένα πηνίο) αλλά και αξιόλογο ωμικό χαρακτήρα ο οποίος βοηθά πολύ στην απόσβεση ανεπιθύμητων αρμονικών υψηλής συχνότητας, χωρίς να προκαλεί έντονη παραμόρφωση στο χρήσιμο σήμα. Ο ωμικός, μάλιστα, χαρακτήρας του φίλτρου υπερισχύει του επαγωγικού όσο ανεβαίνει η συχνότητα. Αυτή η συμπεριφορά φαίνεται στο διπλανό σχήμα, όπου XL είναι το επαγωγικό μέρος της εμπέδησης, R το ωμικό και Z η συνολική εμπέδηση. Τα φερριτικά υλικά που χρησιμοποιούνται ως πυρήνες σε συμβατικά πηνία υψηλών συχνοτήτων έχουν εντελώς διαφορετική συμπεριφορά (προσπαθούν να κρατήσουν χαμηλές τις ωμικές απώλειες σε όλο το χρήσιμο φάσμα συχνοτήτων) και δεν πρέπει να συγχέονται με τους φερρίτες των εξαρτημάτων που αναφέρονται εδώ. Όπως και στα πηνία, ο πυρήνας ενός φίλτρου φερρίτη έχει περιορισμένες δυνατότητες χειρισμού μεγάλης μαγνητικής ροής μέσα από αυτόν. Πάνω από κάποιο όριο ρεύματος, η μαγνητική ροή θα αυξηθεί τόσο που ο πυρήνας του θα κορεστεί, με αποτέλεσμα να πάψει να προσφέρει ωφέλιμη εξασθένιση. Η εξασθένιση θα επανέλθει σε κανονικά (υψηλά) επίπεδα όταν η ένταση του ρεύματος πέσει κάτω από το προαναφερθέν όριο κορεσμού. Τα φίλτρα φερρίτη κατασκευάζονται σε δύο βασικές μορφές: τα ferrite beads, τα οποία τοποθετούνται στο εσωτερικό των ηλεκτρονικών συσκευών, τα ferrite chokes τα οποία τοποθετούνται πάνω σε καλώδια. Τα ferrite beads (χάντρες φερρίτη) προορίζονται για τοποθέτηση μέσα στην ηλεκτρονική συσκευή, συγκεκριμένα πάνω στο τυπωμένο κύκλωμα (printed circuit board, pcb). Eίναι πλήρη πηνία με πυρήνα φερρίτη ο οποίος συνήθως κατασκευάζεται με μία ή περισσότερες διαμπερείς οπές. Μέσα από τις οπές αυτές περνά σύρμα, είτε σε ευθεία γραμμή είτε σχηματίζοντας 1-2 σπείρες. Τα εξαρτήματα με σπείρες παρουσιάζουν βέλτιστη συμπεριφορά (δηλ. υψηλότερη σύνθετη αντίσταση) σε πιο χαμηλές συχνότητες. Τα εξαρτήματα όπου ο αγωγός δεν σχηματίζει σπείρες έχουν καλύτερη συμπεριφορά στις ψηλότερες συχνότητες. Φυσικά, το διάγραμμα σύνθετης αντίστασης (εμπέδησης) ως προς τη συχνότητα επηρεάζεται πολύ και από το υλικό του φερρίτη. Λόγω της κατασκευής τους, τα ferrite beads είναι εξαρτήματα με δύο άκρα και παρεμβάλλονται στην πορεία του ρεύματος. Επομένως, προκαλούν εξασθένιση στο διαφορικό ρεύμα (differential current). Αντίθετα, τα ferrite chokes καλωδίου (βλ. παρακάτω) περιβάλλουν και τους δύο αγωγούς με αποτέλεσμα να εξασθενούν το ρεύμα κοινού ρυθμού (common mode current, συνήθως ανεπιθύμητο στα ηλεκτρονικά συστήματα), ενώ αφήνουν ανεπηρέαστο το διαφορικό ρεύμα. Τα τελευταία χρόνια, τα ferrite beads έχουν εξαιρετικά μεγάλη διάδοση στις ηλεκτρονικές συσκευές κάθε είδους, από κινητά τηλέφωνα και άλλες φορητές συσκευές μέχρι τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Βασικοί λόγοι της επιτυχίας τους είναι οι ολοένα και αυστηρότερες απαιτήσεις ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας από τις σημερινές συσκευές, το πολύ χαμηλό κόστος των εξαρτημάτων αυτών και οι πολύ μικρές διαστάσεις τους. Η σμίκρυνση των διαστάσεών τους έχει προκύψει, όπως και σε κάθε είδους πηνία και μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας, από την υιοθέτηση όλο και πιο βελτιωμένων υλικών για την κατασκευή του πυρήνα. Ένας ακόμη σοβαρός παράγοντας σμίκρυνσης είναι η καθιερωμένη πια χρήση της τεχνολογίας επιφανειακής στήριξης (surface mount technology, SMT). Η σμίκρυνση των διαστάσεων των εξαρτημάτων αυτών (τα οποία πια αποκαλούνται chip beads) έχει το επιπρόσθετο πλεονέκτημα της βελτιωμένης συμπεριφοράς στις πολύ υψηλές συχνότητες. Παράδειγμα χρήσης ferrite beads είναι η τοποθέτησή τους πολύ κοντά στα βύσματα εξόδου μιας φορητής συσκευής, π.χ. αμέσως πριν το σημείο σύνδεσης του ενσύρματου ακουστικού (hands-free) ενός κινητού τηλεφώνου, με σκοπό να αποτραπεί η ροή ρεύματος υψηλής συχνότητας προς το κεφάλι του χρήστη. Ταυτόχρονα, ένα τέτοιο φίλτρο, ενώ δεν επηρεάζει τις ακουστικές συχνότητες, εξασθενεί τις εξωτερικές παρεμβολές (συμπεριλαμβανόμενης της κεραίας του κινητού τηλεφώνου) οι οποίες μπορεί να επηρεάσουν τον ακουστικό ενισχυτή του τηλεφώνου. Για τις περιπτώσεις όπου απαιτείται εξοικονόμηση χώρου και μεγάλη εξασθένιση των πολύ υψηλών συχνοτήτων, διατίθενται και βύσματα με περασμένες χάντρες φερρίτη σε κάθε ακροδέκτη τους (από την πλευρά όπου συγκολλούνται στο τυπωμένο κύκλωμα). Τα ferrite beads παρέχουν πιο ισχυρή εξασθένιση όταν συνδυάζονται με πυκνωτές, μέσα στο ίδιο εξάρτημα. Τέτοιοι συνδυασμοί μειώνουν σημαντικά την εξάρτηση της αποτελεσματικότητας του ferrite bead από τις σύνθετες αντιστάσεις πηγής και φορτίου μεταξύ των οποίων συνδέεται αυτό το εξάρτημα. Αν και η σωστή χρήση ferrite beads και άλλων τύπων φίλτρων, πυκνωτών και πηνίων πάνω στο τυπωμένο κύκλωμα (pcb) είναι ο ενδεδειγμένος τρόπος για την επίτευξη ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας μιας συσκευής, το τελικό αποτέλεσμα μπορεί απέχει από το επιθυμητό. Αυτό συμβαίνει π.χ. όταν ο έλεγχος του πρωτοτύπου σε ειδικό εργαστήριο πιστοποίησης (EMC lab) δείξει πως η συσκευή αποτυγχάνει στα σχετικά τεστ ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας. Σε τέτοιες περιπτώσεις, πολύ συχνά, δεν υπάρχουν περιθώρια για επανασχεδίαση του προϊόντος και επανέλεγχο. Τότε, ο μηχανικός ανάπτυξης μπορεί να βρει λύση στη χρήση ενός ή περισσότερων ferrite choke (φερριτών καλωδίου) τα οποία τοποθετούνται έτσι ώστε να περιβάλλουν εξωτερικά καλώδια σύνδεσης της συσκευής ή ακόμη και τις εσωτερικές καλωδιώσεις της. Τα chokes αυτά είναι σκέτοι διαμπερείς πυρήνες οι οποίοι είτε είναι συμπαγείς είτε αποτελούνται από δύο τμήματα που κουμπώνουν μεταξύ τους. Ο δεύτερος τύπος μπορεί να τοποθετηθεί εκ των υστέρων σε οποιοδήποτε καλώδιο (ανάλογα με τη διάμετρο της οπής του πυρήνα), ακόμη κι όταν σε αυτό έχουν ήδη τοποθετηθεί βύσματα στα άκρα του. Αν και οι περισσότεροι φερρίτες για καλώδια έχουν κυλινδρική οπή, υπάρχουν και φερρίτες με οπή ορθογώνιας διατομής. Αυτοί οι φερρίτες είναι κατάλληλοι για καλωδιοταινίες πολλών αγωγών (ribbon cables), οι οποίες συνήθως χρησιμοποιούνται στο εσωτερικό ψηφιακών ηλεκτρονικών συσκευών. Ευπρόσδεκτη ιδιότητα των φερριτών καλωδίου είναι πως δεν εξασθενούν το διαφορικό ρεύμα (differential current) το οποίο ξεκινά από τον ένα αγωγό του καλωδίου και επιστρέφει από τον άλλο. Αντίθετα, εξασθενούν το ρεύμα κοινού ρυθμού (common mode current) το οποίο προκαλείται από την ανισσοροπία στην εμπέδηση των δύο αγωγών, εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία ή άλλους ανεπιθύμητους παράγοντες. Επομένως, ένας φερρίτης που παρουσιάζει μέγιστο εξασθένισης σε δεδομένη περιοχή συχνοτήτων δεν επηρεάζει σχεδόν καθόλου τα χρήσιμα διαφορικά (differential) σήματα της ίδιας περιοχής συχνοτήτων τα οποία διαρρέουν το καλώδιο. Ενώ οι φερρίτες καλωδίου ακούγονται ως ελκυστική και, μερικές φορές, σωτήρια, εκ των υστέρων λύση για το σχεδιαστή κυκλωμάτων, έχουν και σημαντικά μειονεκτήματα: Η σύνθεση αντίσταση του συνδυασμού φερρίτη καλωδίου ανεβαίνει μεν αλλά όχι πολύ (σε σχέση με ένα κανονικό φίλτρο για τυπωμένο κύκλωμα) και η αντίσταση τερματισμού στην άλλη πλευρά μπορεί να είναι αρκετά υψηλή (σε αντίθεση με το εσωτερικό μιας συσκευής, αυτή συνήθως δεν μπορεί να ελεγχθεί από το σχεδιαστή). Ο συνδυασμός αυτών των δύο σημαίνει χαμηλή εξασθένιση των ανεπιθύμητων υψηλών συχνοτήτων. Γι αυτό το λόγο, η εξασθένιση που μπορούν να επιτύχουν οι φερρίτες εξωτερικών καλωδίων βρίσκεται συνήθως στην περιοχή των 6-10 dB (ντεσιμπέλ). Τέτοια μέτρια εξασθένιση δεν μπορεί να βοηθήσει παρά μόνο συστήματα που αποτυγχάνουν οριακά στα τεστ ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας. Το κόστος τους είναι αρκετά υψηλό για συσκευές μαζικής παραγωγής, σε βαθμό που συχνά είναι πιο συμφέρον να δαπανηθεί περισσότερος χρόνος για βελτιστοποίηση του κυκλώματος στη φάση της σχεδίασης, με σκοπό να αποφευχθεί η ανάγκη της εκ των υστέρων υιοθέτησης της λύσης του φερρίτη καλωδίου. Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξασθένιση εκπομπών σχετικά χαμηλών συχνοτήτων (κάτω από μερικά MHz) γιατί οι διαστάσεις των απαιτούμενων πυρήνων φερρίτη (και το κόστος τους) θα ήταν ασύμφορα μεγάλες. Θεωρητικά, η εξασθένιση θα μπορούσε να αυξηθεί τυλίγοντας το καλώδιο σε πολύ περισότερες από μια σπείρες, γύρω από το φερρίτη, αλλά αυτό δεν είναι δυνατό στα περισσότερα καλώδια. Williams, Tim (2007). EMC for Product Designers, Newnes, ISBN 0-7506-8170-5, σελ. 276-279 How to Choose Ferrite Components for EMI Suppression (τεχνικό φυλλάδιο), Fair-Rite Products Corp. (Αγγλικά)(pdf) Ferrite beads στο howstuffworks.com (Αγγλικά) Noise Suppression by EMIFIL, Application Guide Αρχειοθετήθηκε 2008-05-12 στο Wayback Machine. (τεχνική οδηγία με παραδείγματα εφαρμογών των ferrite beads), Murata Corp. (Αγγλικά) (pdf)