SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Гибкие ферритовые пластины WE-FSFS

Экранирующие материалы широко применяются в высокочастотной технике для эффективного поглощения электромагнитных излучений. Немецкая компания Würth Electronik eiSos на базе новейших материалов разработала гибкие ферритовые пластины серии WE-FSFS. В статье подробно рассматриваются устройство, физические свойства и характеристики ферритовых пластин этой серии, рассказано, как разработчики тестировали свои изделия, проверяя их параметры.

ГК «СИММЕТРОН», г. Москва

Symmetron.png


Физические свойства ферритов были открыты во второй половине XIX века, но широко их стали применять лишь после войны, в 1950-е годы, когда началось бурное развитие производства техники, которая является источником высокочастотных электромагнитных наводок и помех. До этого с наводками не особо боролись, но с увеличением числа компьютерной и высокочастотной техники экранирование, которое уменьшало бы их вредное воздействие, стало насущной необходимостью. Ферриты обладают высокой магнитной проницаемостью, но при этом по электрическим свойствам являются полупроводниками или диэлектриками. При воздействии переменных магнитных полей в них практически не возникает вихревых токов, что делает их идеальным материалом для экранирования. Ферритовые диэлектрики используются в магнитном экранировании местных источников электромагнитных полей (трансформаторов, источников питания и пр.).

Поскольку все ферриты представляют собой сплавы, их создано уже достаточно много и изобретаются всё новые. В статье будет рассказано о гибких экранирующих пластинах, для производства которых применяются ферритовые материалы нового поколения.


Общая информация о пластинах WE‑FSFS

Гибкие ферритовые пластины производства немецкой компании Würth Electronik eiSos (WE-FSFS)*, получаемые методом спекания, были разработаны для высокоэффективного управления магнитным потоком. Такое управление улучшает качество передачи энергии и данных в системах, использующих индуктивную связь (NFC, RFID, Wireless Power и т. д.), что влечет за собой повышение КПД и позволяет увеличить дальность связи.

В современных электронных устройствах чрезвычайно важны такие параметры компонентов, как размер и вес. Пластины WE-FSFS (рис. 1), в которых используются ферритовые материалы последнего поколения, обеспечивают оптимальные результаты при минимальной толщине.

Ris.1.png

Рис. 1. Гибкая экранирующая пластина WE-FSFS

Все пластины WE-FSFS имеют трехслойную структуру (рис. 2) и делятся на:
- защитный слой (ПЭТ). Высокое удельное поверхностное сопротивление и прочность связей гарантируют защиту ферритового слоя;
- гибкий ферритовый слой – основную часть изделия. Именно этот слой обеспечивает концентрацию и управление внешними магнитными полями;
- клеевой слой. Высокая прочность сцепления позволяет защитить ферритовый слой и зафиксировать изделие.

Ris.2.png

Рис. 2. Структура пластины WE-FSFS



Магнитная проницаемость

Электромагнитные характерис­тики материалов WE-FSFS характеризуются их относительной** магнитной проницаемостью, что отражено на схеме (рис. 3), где μ′ означает идеальную магнитную проницаемость, определяющую возможность материала концентрировать и перенаправлять магнитный поток. Благодаря высоким значениям µ′ пластины WE-FSFS способны эффективнее концентрировать магнитный поток, тем самым повышая качество передачи данных и энергии.

Ris.3.png

Рис. 3. Относительная магнитная проницаемость материалов 364 и 354

µ″ – потери в материале. Эти потери обусловлены переходом части магнитного потока в тепло. Обладая высокими значениями µ″, пластины WE-FSFS способны поглощать помехи и преобразовывать их в тепло.

Оба параметра зависят от частоты, поэтому в каждом конкретном случае необходимо аккуратно подойти к выбору материала. Например, для устройств RFID-диапазона 13,56 МГц лучше всего подойдет материал 364, который обеспечивает хорошее перенаправление сигналов рабочей частоты и поглощение сигналов с частотой, превышающей 13,56 МГц (помехи).


Гибкость

Благодаря своей структуре пластины WE-FSFS, несмотря на малую толщину, обладают достаточной прочностью, что позволяет выполнять различные манипуляции при их транспортировке, хранении и монтаже. Ферритовый слой разделяется лазером на квадраты размером 2 × 2 мм, предохраняемые с одной стороны защитным слоем (ПЭТ), а с другой – двухсторонним клеевым слоем. Такая структура обеспечивает достаточную гибкость, позволяющую изделию выдерживать многократные изгибания без ухудшения электромагнитных характеристик.


Описание испытаний на изгиб

Компания Würth Elektronik eiSos проводит различные виды испытаний всех своих изделий. Одно из них – испытание на изгиб (рис. 4), которому подвергаются пластины WE-FSFS.

Ris.4.png

Рис. 4. Испытание пластины WE-FSFS на изгиб

Пластина изгибается до получения радиуса 10 см и выдерживается в таком положении 30 с. Цикл повторяется 20 раз. Затем производят измерение параметров испытуемого образца, чтобы убедиться, что они находятся в допустимых пределах.


Толщина

После выбора требуемого материала необходимо выбрать подходящую толщину. Чем она больше, тем сильнее влияние ферритовой пластины (перенаправление магнитного потока, поглощение помех, увеличение индуктивности).


Увеличение индуктивности

Размещение пластины WE-FSFS поверх плоской катушки индуктивности приводит к увеличению индуктивности катушки (рис. 5) без ухудшения ее добротности благодаря большому значению µ′ материала. В традиционных катушках для этой цели используется ферритовый сердечник. Разработчики протестировали влияние пластин WE-FSFS 354 разной толщины на печатную катушку индуктивности (табл. 1).

Ris.5.png

Рис. 5. Измерение: влияния толщины пластины на индуктивность печатной катушки

Таблица 1. Результаты влияния пластин WE-FSFS 354 разной толщины 
на печатную катушку индуктивности
Tab..png



Перенаправление магнитного потока

Если RFID-антенну поместить рядом с металлическим основанием, то антенна работать не будет. Магнитный поток, формируемый антенной, при пересечении границы проводящего основания генерирует в нем вихревые токи. Из-за этого индуктивность антенны снижается, а ее резонансная частота смещается в сторону более высоких частот. При сильном отклонении резонансной частоты от номинального значения 13,56 МГц передача данных станет невозможной.

Поместив между антенной и металлической поверхностью ферритовую пластину, которая увеличит индуктивность антенны и сместит резонанс в сторону низких частот, можно скомпенсировать описанный эффект. Чем толще пластина, тем сильнее сместится резонанс. Толщина пластины должна подбираться индивидуально в каждом случае.

Разработчики протестировали влияние ферритовых пластин WE-FSFS 364 разной толщины на резонансную частоту RFID-антенны, помещая WE-FSFS 364 между антенной и алюминиевой пластиной толщиной 2 мм (рис. 6).

Ris.6.png

Рис. 6. Влияние толщины ферритовой пластины на резонансную частоту


Поглощение помех

Благодаря высокому значению µ″ в широком диапазоне частот пластины WE-FSFS можно использовать в качестве поглотителя помех. При увеличении толщины пластины возрастает ее емкость и соответственно способность преобразовывать энергию в тепло.

Чтобы убедиться в этом, разработчики помещали пластины WE-FSFS размером 60 × 60 мм поверх микрополосковой линии передачи и измеряли величину по­терь на поглощение (рис. 7, 8).

Ris.7.png

Рис. 7. Вносимое затухание (S21) в микрополосковой линии


Ris.8.png

Рис. 8. Испытательный стенд с микрополосковой линией


Размеры

Размер и форму пластин WE-FSFS можно оптимизировать для конкретных условий применения. По запросу поставляются пластины специфической конфигурации (рис. 9). При этом необходимо учитывать структуру ферритовой пластины (квадраты размером 2 × 2 мм) и по возможности не требовать острых углов и тонких перемычек.

Ris.9.png

Рис. 9. Примеры заказных конфигураций пластин WE-FSFS

Следует отметить, что изготовление пластин WE-FSFS, превышающих 120 × 120 мм, невозможно. Если необходимо покрыть большую площадь, то следует использовать несколько листов. При этом значительного ухудшения характеристик не происходит.

Официальным дистрибьютором Würth Electronik eiSos в России является группа компаний «СИММЕТРОН», осуществляющая комплексные поставки электронных компонентов.
___________
* Название серии WE-FSFS представляет собой аббревиатуру от выражения Würth Elektronik eiSos Flexible Sintered Ferrite Sheet – «гибкие ферритовые пластины от компании Würth Elektronik eiSos».
* Относительная магнитная проницаемость воздуха: µr = µ/µвозд.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(58)_2015

ГК «СИММЕТРОН», г. Москва,
тел.: (495) 961-2020,