Ratgeber
Obwohl sie elektrisch nur gering oder gar nicht leitfähig sind, spielen Ferrite in der Elektronik eine wichtige Rolle. Die in der Regel aus Metalloxiden bestehenden Keramiken besitzen vielmehr spezielle magnetische Eigenschaften, was sich für vor allem in der Unterdrückung elektromagnetischer Störungen nutzen lässt. In der Bauform von Ferritkernen sind sie aus der elektronischen Praxis nicht mehr wegzudenken.
Erfahren Sie in diesem Ratgeber, wie diese Bauelemente aufgebaut sind, für welche Anwendungen sie sich besonders eignen und worauf bei der Montage geachtet werden sollte.
Ein Ferrit entsteht durch die Reaktion von Eisenoxid – umgangssprachlich Rost – mit einer Reihe von anderen Metallen, darunter Magnesium, Aluminium, Barium, Mangan, Kupfer, Nickel, Kobalt oder sogar Eisen selbst. Diese Keramiken weisen eine Form des Magnetismus auf, die als Ferrimagnetismus bezeichnet wird und sich vom Ferromagnetismus von Eisen, Kobalt und Nickel unterscheidet.
In Ferrit-Werkstoffen richten sich die magnetischen Momente der Atome in zwei oder drei verschiedenen Richtungen aus. Das führt zu einer teilweisen Aufhebung des Magnetfeldes, sodass Ferrite insgesamt weniger stark sind als ferromagnetisches Material.
Zu den wichtigsten Eigenschaften von Ferriten gehören eine hohe magnetische Permeabilität und ein hoher elektrischer Widerstand. Eine hohe Permeabilität – also die Fähigkeit, magnetische Felder durchzuleiten – ist besonders in Geräten wie Antennen wünschenswert. Ein hoher elektrischer Widerstand wiederum ist in den Kernen von Transformatoren vorteilhaft, da sich so Wirbelströme reduzieren lassen.
Auf der Grundlage ihres Widerstands gegen Entmagnetisierung können Ferrite in zwei Arten unterteilt werden: weiche und harte Ferrite.
Hartferrite verfügen über eine hohe Koerzitivfeldstärke, das heißt, sie können einem von außen angelegten Magnetfeld widerstehen, ohne entmagnetisiert zu werden. Hartferritkerne sind deshalb zur Herstellung von Dauermagneten geeignet, zu finden beispielsweise in Lautsprechern und Motoren.
Weichferrite können dagegen durch ihre niedrige Koerzitivfeldstärke einem von außen angelegten Magnetfeld nicht standhalten. Sie lassen sich leicht entmagnetisieren, ändern dabei einfach ihre Magnetisierung und fungieren als Leiter von Magnetfeldern. Weichferrite dienen deshalb zur Herstellung von Ferritkernen für Hochfrequenzanwendungen.
In Kernen aus Weichferrit wird deren hohe Permeabilität ausgenutzt, um magnetische Felder effizient zu leiten und zu konzentrieren. In Hochfrequenzschaltungen und -systemen findet man sie als Bauelemente zum Beispiel für Filter und Antennen.
Fließt Strom durch einen solchen Kern, erzeugt er einen magnetischen Fluss. Die elektrische Energie wird dabei in magnetische Energie umgewandelt. Ändert sich der Strom, ändert sich auch der magnetische Fluss, indem er durch elektromagnetische Induktion wieder in Strom umgewandelt wird.
Ein häufiger Anwendungsfall ist die Unterdrückung von elektromagnetischen Interferenzen – kurz EMI – beziehungsweise elektromagnetischen Störungen in Kabeln und Schaltungen. Ist ein Kabel von einem Kern aus Weichferrit umgeben, bewirkt die hohe magnetische Permeabilität des Ferrits, dass hochfrequente Signale im Magnetfeld des Ferritkerns sozusagen eingefangen und in Wärme umgewandelt werden. Das hilft, die Ausbreitung von hochfrequenten Störsignalen entlang des Kabels zu reduzieren.
In Transformatoren und Induktivitäten sind Ferritkerne als Magnetkerne im Einsatz. Ihre hohe Permeabilität ermöglicht eine bessere Kopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators, wodurch die Effizienz erhöht wird und sich gleichzeitig die Kernverluste reduzieren. Dies ist besonders nützlich in Schaltnetzteilen und anderen Anwendungen, die mit hohen Frequenzen arbeiten.
Ferritkerne gibt es in verschiedenen Bauformen, die jeweils für bestimmte Anwendungen optimiert sind. So sind Ferrit-Ringkerne geschlossen und bieten daher eine gute Magnetfeldabschirmung. Zu den typischen Einsatzbereichen gehören Induktivitäten und Transformatoren, sie lassen sich aber auch als Mantelwellensperren einsetzen. Für diese Anwendungen sind aber auch Kerne in E- oder EE-Form, in U- und UI-Form und in toroidaler Form verwendbar, je nach Layout der Schaltung und Konstruktion des Geräts.
Die langen, stangenförmigen Stabkerne werden oft in Antennen und in Hochfrequenzanwendungen verwendet, ebenso wie Zylinderkerne. Letztere sind in der Regel offen, besitzen einen Luftspalt und arbeiten weniger effektiv in der Magnetfeldabschirmung als geschlossene Kerne. Flache Ferritplatten finden sich häufig als elektromagnetische Abschirmung gegen hochfrequente Störungen in Gehäusen und an Platinen.
Ferritkerne mit Kabeldurchführungen sind die wohl am meisten sichtbare Form der EMI-Abschirmung. Sie sind so gestaltet, dass Kabel durch sie hindurchgeführt werden können. Die Befestigung der als Klappferrite bekannten Filter erfolgt mit einem Klickverschluss, in der Regel an Strom- oder Datenkabeln.
Nahezu unsichtbar sind dagegen Ferritkerne in SMD-Bauform. Sie sind winzig und ähneln optisch den Widerständen zur Oberflächenmontage. SMD-Ferritkerne werden oft in kompakten, hochintegrierten Schaltungen und Geräten verwendet, zum Beispiel zur Dämpfung hochfrequenter Störsignale auf den Leiterbahnen. Sie eignen sich aber auch – wie ihre großen THT-Pendants – zur Signalfilterung in Hochfrequenzanwendungen. Dort können sie als Bandpass- oder Bandsperrelemente fungieren. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind die Impedanzanpassung, die Spannungsregelung und die Rauschunterdrückung.
Die Montage von Ferritkernen hängt von verschiedenen Faktoren wie der Bauform, der Anwendung und den spezifischen Anforderungen ab. Zunächst sollte der Ferritkern für die beabsichtigte Anwendung geeignet sein, insbesondere hinsichtlich des Frequenzbereichs und der erforderlichen Impedanz. Wichtig für die Effektivität ist auch der Montageort. Als Entstörfilter bei der EMI-Unterdrückung beispielsweise ist der Ferritkern so nahe wie möglich an der Störquelle oder dem gestörten Gerät anzubringen
Sind Spulen auf einem Ringkern, Toroidalkern und anderen Ferritformen erforderlich, spielt die Anzahl der Wicklungen für die Induktivität und damit für die Filtereigenschaften eine wesentliche Rolle.
Einige Ferritkerne sind spröde. Bei der Montage sollten daher keine übermäßigen mechanischen Spannungen im Spiel sein, um ein Brechen oder Rissbildung zu vermeiden. Zu berücksichtigen ist bei einigen Funktionen außerdem die Wärmeentwicklung. Hier ist für eine ausreichende Belüftung zu sorgen.
Was bedeutet der AL-Wert bei einem Ferritkern?
Der AL-Wert gibt die Induktivität des Kerns pro Windungszahl in Nanohenry an. Er ist eine Maßeinheit für die Fähigkeit des Ferritkerns, magnetische Energie zu speichern. Wichtig ist der Wert für HF-Transformatoren, Induktivitäten in Schaltnetzteilen oder in Filtern. Ein höherer Wert bedeutet in der Regel, dass weniger Windungen der Spule für eine bestimmte Induktivität erforderlich sind, was sowohl Material als auch Platz sparen kann. Allerdings führt dies bei Hochfrequenzen oft auch zu höheren Kernverlusten.