Come funzionano i manicotti di ferrite e come scegliere quelli giusti

Perle de ferrite enclipsable

A volte vorrei davvero avere la capacità di poter vedere le onde elettromagnetiche. In questo modo rilevare le interferenze elettromagnetiche (EMI) sarebbe molto più semplice. Invece di dover utilizzare strumentazione complicata e analizzatori di segnale potrei semplicemente dare un’occhiata e capire cosa sta succedendo. Ovviamente non è possibile osservare le EMI ma si può talvolta ascoltarle quando attraversano circuiti audio. Una possibile soluzione per questo tipo di interferenza è costituita dai manicotti di ferrite. Purtroppo questo tipo di prodotti sono ancora poco conosciuti e per utilizzarli nel modo giusto occorre conoscere le loro caratteristiche elettromagnetiche e come si modificano durante l’uso. Una volta compresa la teoria alla base delle ferriti ne va scelto con attenzione il tipo corretto per il circuito che si sta utilizzando. Usare la tipologia sbagliata, infatti, crea più problemi di quanti ne risolva.

La teoria alla base dei manicotti di ferrite elettronica

I manicotti di ferrite sono utilizzati per attenuare i segnali ad alta frequenza nei componenti elettronici. Anche se ciò potrebbe far pensare a questi componenti come simili agli induttori in realtà sono più complessi. Il circuito semplificato di questo tipo di elementi può aiutare a comprendere come si comportano in funzione delle varie frequenze. Comunque sia va detto che le caratteristiche dei manicotti di ferrite cambiano a seconda della corrente e della temperatura.

Un manicotto di ferrite può essere modellato utilizzando un condensatore, un induttore ed una resistenza in parallelo, con una resistenza in serie davanti ad essi. La resistenza in serie rappresenta la resistenza alla corrente continua (DC). L’induttore è l’elemento principale che attenua i segnali ad alta frequenza. La resistenza in parallelo modella le perdite in corrente alternata (AC). Il condensatore viene utilizzato per tenere conto della capacità parassita. Quando osserviamo la curva dell’impedenza rispetto alla frequenza dei manicotti di ferrite possiamo vedere che l’impedenza, che è per lo più resistiva, è elevata solo in una banda molto piccola. Quella è la sezione dove domina l’induttanza del manicotto. Al di sopra di quella banda la capacità parassita diventa preponderante e riduce, molto rapidamente, l’impedenza alle alte frequenze.

I manicotti di ferrite sono classificati in base alla massima corrente DC utilizzabile. Valori di amperaggio superiori possono danneggiarli. Il problema è che questo valore massimo varia sensibilmente in funzione della temperatura e diminuisce all’aumentare della temperatura. La corrente influenza anche il valore di impedenza della ferrite. All’aumentare della corrente DC i manicotti di ferrite si “saturano” e perdono induttanza. Se le correnti diventano relativamente elevate questo effetto di saturazione può ridurre l’impedenza fino al 90%.

 
 Manicotti di ferrite per circuiti stampati

Il valore della corrente modifica l’impedenza della ferrite.

Come scegliere i giusti manicotti di ferrite per circuiti stampati

Una volta compresa la parte teorica è il momento di scegliere il giusto prodotto per il proprio circuito. Questa operazione non è troppo difficile e basta semplicemente fare attenzione alle specifiche della ferrite.

Molte persone sono a conoscenza del fatto che i manicotti di ferrite attenuano le “alte frequenze”, tuttavia i manicotti non funzionano come un filtro passa-basso ad ampio spettro dato che sono efficaci nel fermare solo un intervallo specifico di frequenze. Per questo occorre scegliere il giusto componente per attenuare le frequenze indesiderate nella banda resistiva. Se la frequenza di attenuazione è troppo bassa o troppo alta, anche di poco, non si ottiene l'effetto desiderato.

Il produttore dovrebbe sempre fornire il grafico dell’impedenza rispetto alla corrente di carico per ogni manicotto. Se la corrente di carico è particolarmente elevata occorre scegliere manicotti di ferrite in grado di sopportare tale corrente senza perdere di impedenza.

Precauzioni

I manicotti di ferrite sono essenzialmente carichi resistivi ad alte frequenze, il che vuol dire che possono causare inconvenienti nei circuiti elettronici. Quando si vanno ad integrare in un circuito occorre tenere presente problematiche come calo di tensione e dissipazione di calore.

Per circuiti ad elevato voltaggio un calo di tensione non rappresenta un problema. Tuttavia ora si usano tantissimi circuiti a bassa potenza con voltaggi dell’ordine dei 2 V. In questo caso un calo di tensione troppo elevato non è più accettabile. I manicotti di ferrite causano una caduta di tensione DC nel circuito. Anche se non è troppo elevata, se il circuito si trova in uno stato di elevato assorbimento di corrente la perdita può diventare significativa. Per questo è importante utilizzare i manicotti di ferrite solo dove la perdita di tensione non è un problema.

La ferrite elettronica è un materiale resistivo alle alte frequenze e dissipa l'energia assorbita principalmente sotto forma di calore. Il calore non è normalmente un problema ma lo può diventare se si non progetta adeguatamente un sistema di raffreddamento attivo o passivo. Se il sistema ha elevato rumore e i manicotti assorbono un quantitativo elevato di alte frequenze il problema del calore diventa più significativo. Una corretta dissipazione di calore deve essere sempre tenuta presente quando si utilizzano questi componenti.

Ferrite elettronica

Il valore della corrente modifica l’impedenza della ferrite.

I manicotti di ferrite per circuiti stampati sono estremamente utili, ma solo se ne comprende appieno il funzionamento. Attenuano il segnale in una banda estremamente limitata e la loro efficacia dipende, in modo significativo, dalla temperatura e dalla corrente di carico. Per utilizzare un manicotto di ferrite al meglio occorre scegliere quello giusto in funzione delle specifiche tecniche. Inoltre quando lo si va ad inserire occorre tenere presente le problematiche, descritte prima, di calore e calo di tensione.

Utilizzare i manicotti di ferrite non è semplice ma disegnare il circuito non deve necessariamente essere complicato. Altium Designer è un software per progettare PCB all’avanguardia che include funzionalità avanzate per l’ottimizzazione dei circuiti. È anche dotato di utili add-on come l’analizzatore della portata della rete, estremamente utile per risolvere problematiche legate al calo di tensione e alla dissipazione di calore.

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