Gli anelli in ferrite sono componenti elettronici utilizzati per sopprimere il rumore elettrico nei cavi. Sono disponibili in due forme principali: toroidale (a ciambella) o cilindrica.
Cosa Fanno gli Anelli in Ferrite?
Gli anelli in ferrite aiutano nella protezione contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) e le interferenze in radiofrequenza (RFI). Impediscono lo spostamento di interferenze su un dispositivo o da un dispositivo.
Come Funzionano gli Anelli in Ferrite?
Gli anelli in ferrite possono sopprimere il rumore senza messa a terra. Le ferriti sono in grado di attrarre il flusso magnetico. Quando un cavo passa attraverso l'anello, i campi magnetici creati dal cavo sono concentrati all'interno dell'anello di ferrite. Questa energia magnetica viene convertita in calore e la ferrite la dissipa per perdita magnetica.
Come Vengono Utilizzati gli Anelli in Ferrite?
Gli anelli in ferrite possono essere visti spesso con cavi filettati attraverso di essi. Sono luoghi comuni nell'elettronica per contribuire alla soppressione dei disturbi. Il cavo può anche essere avvolto più volte attorno all'anello di ferrite.
Le ferriti vengono o annegate in costruzione o inserite post vendita, 1 inizio cavo, 1 a fine cavo, n.2 pezzi, distanza circa 3 cm.
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Anelli di Ferrite nei Cavi Audio HiFi
Nel mondo degli appassionati di audio, molti credono che per un ascolto HiFi degno di questo nome sia necessaria una cessione del quinto. Questo è maggiormente sentito in componenti come: cavi audio, connettori e altri componenti che devono essere buoni, ma senza esagerare!
Come Scegliere un Cavo Audio HiFi
Se l’ascolto del vostro impianto non vi soddisfa e avete già un set di cavi decenti, probabilmente il problema non è nei cavi audio, ma nei dispositivi ad essi collegati. Senza contare che è molto più importante come sono disposti i cavi, a prescindere dal loro prezzo. Il cable management di un impianto hifi, infatti, può davvero impattare sul suono in modo devastante!
Anche la tipologia di cavo audio hifi, ad esempio cavo di segnale o di potenza ha una “sensibilità” specifica ad interferenze e fattori legati alla costruzione stessa del cavo audio, come: capacitanza, induttanza, resistenza, impedenza.
I cavi audio di segnale sono “coloro” che hanno il gravoso compito di trasportare la vostra musica dalla sorgente all’amplificatore o al pre-amplificatore. Soprattutto i cavi sbilanciati, rappresentano l’anello più debole nella catena delle connessioni audio di un impianto hifi. E’ sempre bene, infatti, mantenere i cavi di segnale il più corti possibile: 30-60cm in applicazioni domestiche sono ottimali. Devono essere tenuti lontani dai cavi di alimentazione e vanno preferiti cavi audio di segnale schermati, i più paranoici potranno usare anche anelli di ferrite.
I cavi audio digitali: usb, coassiali, ottici, trasportano segnali digitali. I segnali digitali sono composti, per antonomasia, da una sequenza ordinata di 0 e 1. Numeri che messi nella giusta “combinazione” ricostruiscono il segnale originario.
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Materiali
Il denominatore comune di questi cavi è la costruzione mediante l’impiego di rame OFC, (ovvero Oxygen Free), per avere un passaggio di segnale ottimale. Questa qualità di rame, nella maggior parte dei casi, ha una purezza di circa il 99%.
Gli anelli in ferrite sono disponibili in vari formati: cilindri cavi all'interno dei quali far passare il cavo oppure semigusci cilindrici richiudibili a scatto sul cavo. Ogni buon negozio di materiale elettronico dovrebbe averne a disposizione almeno un paio di modelli.
Induttori e Ferriti: Approfondimento Tecnico
Gli induttori sono i componenti passivi meno usati e certamente meno conosciuti, per varie ragioni, e questo è particolarmente vero per le cosiddette ‘ferriti’, induttanze costruite con nucleo in materiale magnetico sintetico.
Caratteristica degli induttori è offrire una impedenza nulla in continua e crescente al crescere della frequenza, opponendosi quindi alla propagazione di segnali indesiderati ad alta frequenza, secondo la nota formula Z = 2? * f * L.
La forma più semplice di induttore è costituita da una bobina di filo avvolto su un supporto isolato. Per aumentare il valore di induttanza si può avvolgere la bobina su un nucleo di materiale magnetico (tipicamente leghe di ferro). Valori ancora maggiori si possono ottenere con nuclei ceramici composte solitamente da un misto di ossidi di ferro con Zinco-Manganese o Zinco-Nickel, dette appunto ferriti. Le ferriti trovano impieghi sempre più diffusi anche fuori dai campi tradizionali e richiedono qualche cautela nell’uso.
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Nei progetti digitali moderni, in particolare basati su FPGA o microprocessori veloci, le frequenze operative salgono a molte centinaia di MHz o GHz. La coesistenza sulla stessa board, quando non nello stesso chip, di circuiteria digitale cosi veloce con circuiteria analogica e con i driver ad alta velocità, suggerisce la separazione delle alimentazioni anche di eguale valore in continua, per isolare i circuiti più sensibili dalle sorgenti di rumore.
Una possibile soluzione, quando accuratamente progettata, è rappresentata dall’uso delle ferriti nella separazione locale di una alimentazione dal piano di distribuzione globale della scheda. La nuova alimentazione creata a valle della ferrite viene separata ad alta frequenza dall’alimentazione madre, con un minimo di disturbo al routing e costo aggiuntivo. È di fondamentale importanza che il decoupling realizzato a valle della ferrite sia tale da garantire bassa impedenza in tutta la gamma di frequenza richiesta, garantisca cioè la Target Impedance richiesta dallo specifico carico.
I componenti più semplici basati su ferriti sono anche chiamate ‘beads’ (letteralmente ‘perline‘), perchè consistono in un conduttore inglobato nel materiale ceramico. Nella loro forma originale, erano componenti da infilare su fili passanti di cui realizzavano il filtraggio. Oggi esistono anche come componenti a montaggio superficiale.
Le ferriti sono disponibili in due diverse tipologie fondamentali, Q elevato, da non usare in applicazioni digitali, e basso Q. Le ferriti a basso Q sono progettate in modo da dissipare l’energia HF in calore nel nucleo, attraverso le perdite per isteresi magnetica e correnti di perdita indotte nel nucleo (Eddy currents o correnti di Focault). Abbiamo quindi l’energia su una banda di frequenza relativamente ampia effettivamente dissipata ed eliminata dal nostro sistema, non semplicemente riflessa o dirottata come nell’uso di filtri con componenti reattivi.
I costruttori specificano le caratteristiche delle loro ferriti come grafici Impedenza verso Frequenza, oltre a fornire la massima resistenza e corrente nominale in continua. Questi dati sono importanti perché lavorando a correnti elevate si può incorrere nel fenomeno di saturazione del nucleo, dove il suo contributo all’induttanza complessiva risulta sostanzialmente ridotto, se non annullato. Bisogna quindi scegliere un componente in grado di lavorare a correnti ben inferiori alla saturazione.
Se osserviamo un datasheet è fondamentale non fermarsi nella selezione al valore di impedenza indicato in condizioni normalizzate, per permettere una facile classificazione del componente (ad es. 120 ohm a 100MHz per BLM18AG121SN), ma proseguire la lettura e prendere visione dell’andamento dell’impedenza presentata nei grafici delle pagine successive, confrontandolo con le bande di lavoro della propria applicazione.
Le simulazioni circuitali sono in grado di aiutare nella verifica del comportamento del componente scelto ma come prima cosa, occorre costruirne un modello affidabile. Il modello presentato in Fig 2 è considerato affidabile per frequenze inferiori ad 1 GHz.
Nel modello, Rdc rappresenta la resistenza ohmica delle connessioni, Rparasitic è la resistenza parallelo equivalente dovuta alle perdite nel ferro, Cparasitic la capacità parassita dovuta alla granularità del materiale. L infine l’induttanza ideale, nominale del componente. I parametri parassiti non sono costanti, se non in prima approssimazione, variando con la temperatura, frequenza e corrente di carico.
Tipicamente, a frequenze maggiori di qualche decina di MHz, i fenomeni dissipativi prevalgono ed il comportamento è resistivo (in ac). Aumentando ancora la frequenza l’efficacia della ferrite diminuisce perché inizia ad essere cortocircuitata dalla capacità parassita, in parallelo all’induttanza.
Scegliere una ferrite con corrente nominale almeno doppia della massima corrente di carico attesa per il ramo di alimentazione filtrato. Questo garantisce di evitare saturazioni del nucleo.
- Stabilire la massima resistenza serie accettabile e ridurre al minimo la resistenza in continua del filtro, in modo da ridurre cadute di tensione.
- Stabilire la banda di frequenza entro cui desideriamo avere attenuazione.
- Verificare in simulazione che la presenza del filtro non porti la tensione al di sotto o in prossimità dei minimi di specifica del dispositivo alimentato, in nessuna condizione operativa.
- Verificare in simulazione che eventuali antirisonanze non violino il valore di impedenza Target per alcuna frequenza nel range operativo. Aggiungere un condensatore di decoupling qualora si presentino violazioni ed aggiustarne il valore in simulazione.
- Verificare in simulazione la risposta a transiente del circuito di alimentazione con filtro, per verificare l’assenza di overshoot ed oscillazioni che possano violare i limiti raccomandati imposti dai componenti alimentati.
- Verificare in simulazione l’impedenza di trasferimento dell’isola di alimentazione a valle del filtro rispetto ad altri rami del sistema di alimentazione per decidere se l’attenuazione ottenuta sia soddisfacente.
L’applicazione delle ferriti risulta in generale conveniente quando si debbano isolare circuiti analogici sensibili al rumore in una applicazione mista, con circuiteria analogica e digitale aventi sensibilità diverse.
Esistono anche nuclei in ferrite ad anello, montati in modo da avvolgere stretamente entrambi i conduttori di alimentazione di un circuito o apparecchiatura. La presenza di correnti di modo comune crea però un campo risultante diverso da zero e dissipazione nella ferrite. Questa si presenta quindi come una impedenza serie bassissima per le correnti funzionali dell’apparecchiatura, ma come impedenza significativa che dissipa in calore l’energia associata a correnti di disturbo sovraimposto. Sono questi i rigonfiamenti che notiamo ad esempio sui cavi di alimentazione dei moderni monitor da computer.
Simulazioni su SPICE
LTspice, il programma di simulazione generosamente reso disponibile da Linear Technology, è sempre più diffuso ed usato, non ha restrizioni nel numero di nodi del circuito e di componenti e grazie anche al supporto di una community online.
Proviamo ora a completare progressivamente il circuito in cui la ferrite è inserita e verificarne il comportamento a livello sistema invece che singolo componente. Aggiungiamo, quindi, un condensatore da 100 nF che rappresenta il decoupling locale dell’alimentazione che intendiamo filtrare.
A bassa e media frequenza l’impedenza è relativamente bassa, la ferrite ha basse perdite ferromagnetiche e si comporta, quindi, come un induttore. A frequenze maggiori di qualche MHz, i fenomeni dissipativi prevalgono e l’impedenza aumenta fino a presentare un picco per poi decrescere.
Per il componente scelto, il picco si ha nei dintorni di 250 MHz ma l’impedenza si mantiene significativa fino a ben oltre 1 GHz, promettendo una certa efficacia nel filtraggio del rumore ad alta frequenza.
Questo approssimazione può essere in parte dovuta alla corrente di carico in continua (abbiamo usato 1A per un componente con corrente nominale di 0.4A), ma si consiglia comunque di acquisire misure sul componente scelto per applicazioni critiche ed, eventualmente, procedere ad un aggiustamento fine dei parametri del modello Spice.