Elektromagnetische Verträglichkeit EMV-Konformität meistern! Filterbauelemente: Induktivitäten I – Teil 7

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EMV gehört zu den meistunterschätzten Themen im Entwicklungsprozess elektronischer Geräte. Diese Artikelserie behandelt die wichtigsten Punkte, um eine konforme elektromagnetische Integrität von Produkten zu gewährleisten. In Teil 7 unserer Serie geht es um Filterbauelemente (Induktivitäten).

Für den EMV-Einsatz gibt es verschiedene Arten von Induktivitäten, die je nach Anwendung und den erforderlichen Eigenschaften ausgewählt werden können. Luftspulen (ohne Ferrit) bestehen aus Draht, der um eine Spulenform gewickelt ist, und haben keinen Kern aus ferromagnetischem Material wie Ferrit. Sie sind vorwiegend für Applikationen im HF-Bereich geeignet (typ. >100 MHz) und sind in der Regel weniger anfällig für Sättigungseffekte.

Spulen mit Ferritkern enthalten einen Kern aus einem ferromagnetischen Material. Ferritkerne helfen, die Induktivität zu erhöhen und die „EMV-Leistung“ zu verbessern, indem ihre Impedanz ab einem bestimmten Frequenzbereich stark verlustbehaftet ist. Des Weiteren weisen Induktivitäten mit Ferritkernen im Vergleich zu Luftspulen im Allgemeinen eine deutlich höhere Induktivität auf.

Bei SMD-Induktivitäten mit Ferritkern und bei SMD-Ferriten findet sich im Datenblatt nicht der Induktivitätswert, sondern eine Impedanz bei einer bestimmten Messfrequenz. SMD-Ferrite zeigen die höchste Toleranz, während Induktivitäten ohne Ferrit die geringste aufweisen. Die Induktivität ohne Ferritkern erfordert mehr Drahtwindungen für dieselbe Impedanz wie Bauteile mit Ferrit, was zu einem höheren Drahtwiderstand (R_DC) führt.

Güte von Induktivitäten: Der Q-Faktor

Der Q-Faktor einer Induktivität beschreibt ihre Güte. Ein hoher Q-Faktor (z.B. 60) zeigt geringe Verluste und eine schmalere Impedanzkurve an, während ein niedriger Q-Faktor höhere Verluste und eine breitere Kurve bedeutet. Das Impedanzmaximum einer Induktivität hängt mit ihrem Q-Faktor zusammen – verlustarme Induktivitäten mit hohem Q-Faktor zeigen ein höheres Impedanzmaximum, während verlustbehaftete Induktivitäten niedrigere Maxima aufweisen.

Die Art und Weise der Wicklung oder die verwendeten Kernmaterialien können das Impedanzmaximum und den Frequenzbereich beeinflussen. Ferrit ist ein Material, das hauptsächlich aus Eisenoxid und anderen Spurenmetallen besteht. Es hat eine niedrige elektrische Leitfähigkeit, was die Wirbelstromverluste reduziert. Diese Materialien zeigen eine starke Abhängigkeit von Frequenz, magnetischer Flussdichte und Temperatur.

Die magnetischen Eigenschaften werden durch die magnetische Permeabilität µ beschrieben. μ ist eine komplexe Zahl, die sich aus einem realen Teil (μ') und einem imaginären Teil (μ'') zusammensetzt. So ergeben sich die in den Datenblättern angegebenen Kurven, die für die Auswahl der Induktivität für die jeweilige Applikation von entscheidender Bedeutung sind.

In Bild 12 sind die typischen Impedanzkurven eines SMD-Ferrits und einer Induktivität ohne Ferrit (Luftspule) gezeigt. Parasitäre Effekte, die zu Resonanzen führen, wurden bei der Luftspule in Bild 12 nicht berücksichtigt, um die Vergleichbarkeit zu verdeutlichen. Die schwarze Kurve ist die Impedanz Z, die graue Kurve ist der induktive Anteil X_L der Impedanz Z und die rote Kurve der resistive (ohmsche) Anteil R.

Mit der komplexen magnetischen Permeabilität ergibt sich: L_S = µ' L₀;
RS = ω L₀ µ''. Wobei L₀ die Induktivität der Drahtwicklung ohne Ferrit ist. Somit gilt: Z = j ω L₀ (µ' – jµ'') = R + jX.

Aus den Formeln lässt sich leicht erkennen, dass eine hohe Permeabilität zu einer hohen Induktivität führt. Aus den Kurven wird auch klar, warum bei der Anwendung von Induktivitäten mit Ferritkern die Impedanzkurven für eine funktionierende Schaltung von hoher Bedeutung sind. Die Impedanz Z ist eine Vektorkombination aus Widerstand und Phase.

Der Ohm’sche Widerstand R hat eine dissipative Eigenschaft, Energie wird verbraucht und nicht zurückgewonnen. Der Blindwiderstand X_L ist der Teil der Impedanz, der durch die Induktivität generiert wird. Die Phase ist die Verzögerung zwischen einer an das Bauteil angelegten Spannung und dem durch das Bauteil fließenden Strom. Sowohl der Ohm’sche-, als auch der Blindwiderstand variieren mit der Frequenz, somit also auch die Phase. (kr)

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* Dr.-Ing. Heinz Zenkner ist öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für EMV.

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