Induttori e ferriti antidisturbo

L’uso degli induttori nell’attenuazione dei disturbi.

In elettronica si ha spesso la necessità di arrestare delle correnti di disturbo che si propagano lungo i conduttori. A questo scopo sono utili gli induttori che, posti in serie ai conduttori,  aumentano la loro impedenza al crescere della frequenza.

Induttori con nucleo ferromagnetico

I materiali ferromagnetici sono particolarmente utili nella realizzazione degli induttori perché, a parità di numero di avvolgimenti e dimensioni, permettono di aumentarne l’induttanza. Questo aumento avviene proporzionalmente alla permeabilità magnetica relativa, \(\mu_r\), del materiale impiegato, che è generalmente compresa tra le centinaia e le decine di migliaia.

Un altro vantaggio è legato alla minor radiazione di disturbi, dal momento che il flusso magnetico viene localizzato tanto più nel nucleo quanto maggiore è la sua permeabilità. Avvolgendo l’induttore in un toroide di materiale ferromagnetico ad elevata permeabilità, quasi tutto il flusso rimane confinato nel nucleo. Il rapporto tra la parte del flusso che resta nel nucleo e quella che fuoriesce permeando l’aria circostante l’induttore è proporzionale al rapporto delle permeabilità relative del materiale e dell’aria.

Un induttore avvolto su un nucleo toroidale (a) e saturazione (b). All’aumentare dell’intensità del campo magnetico, \(H\) (proporzionale a \(NI\)), la densità di flusso magnetico, \(B\), aumenta linearmente solo fino ad un certo punto.

Questi vantaggi sono però soggetti ad alcune limitazioni. Infatti, la permeabilità relativa del materiale si riduce notevolmente all’aumentare della corrente e della frequenza. Questo fenomeno, noto come saturazione, comporta una riduzione dell’induttanza e in un aumento della frazione di flusso che fuoriesce dal nucleo.

I nuclei in ferrite a base di manganese e zinco (MnZn) offrono elevate permeabilità, ma queste decrescono rapidamente a partire dalle centinaia di chilohertz. I nuclei a base di nichel e zinco (NiZn) sono caratterizzati da una minor permeabilità, che però rimane costante fino a frequenze molto più elevate.

Bobine d’arresto dei disturbi di modo comune

Supponiamo di trasferire un segnale o un’alimentazione mediante una coppia di conduttori paralleli. Questi saranno percorsi da due correnti uguali in modulo, ma di verso opposto, dette correnti di modo differenziale. Queste sono le uniche che dovrebbero essere presenti nella struttura.

Le correnti di modo differenziale sono le uniche che dovrebbero essere presenti nella struttura. Tuttavia, è possibile identificare anche correnti, uguali in modulo, che percorrono i due conduttori nello stesso verso. Queste sono dette correnti di modo comune, che costituiscono un disturbo. La teoria dei parametri concentrati non considera la presenza di queste correnti, che vengono dette correnti d’antenna.

Queste correnti hanno effetti diversi nei confronti delle emissioni radiate. Il campo elettrico totale radiato dalla coppia di conduttori è dato dalla sovrapposizione dei campi elettrici radiati da ciascun conduttore. Le correnti di modo differenziale hanno verso opposto, di conseguenza anche i campi elettrici avranno verso opposto. Essi tuttavia non si annullano completamente, poiché i conduttori non sono sovrapposti, ma si sottraggono dando origine ad un campo elettrico di bassa intensità.

Al contrario, le correnti di modo comune generano campi elettrici dello stesso verso che, sommandosi, originano un campo elettrico di notevole intensità. È possibile dimostrare che una corrente di modo comune dell’ordine del microampere genera lo stesso livello di campo radiato di una corrente di modo differenziale dell’ordine di decine di milliampere!

Un metodo efficace per la riduzione delle correnti di modo comune consiste nell’uso degli induttori di arresto del modo comune, che sono realizzati con due avvolgimenti simmetrici e funzionano nell’ipotesi che tutto il flusso sia concatenato nel nucleo.

Bobine di arresto del modo comune attraversate da correnti di modo differenziale (a) e di modo comune (b).

In questo modo, i flussi associati alle correnti di modo comune si sommano, mentre quelli associati alle correnti di modo differenziale si sottraggono. Di conseguenza l’induttore idealmente presenta un’induttanza pari a \(2L\) nei confronti delle correnti di modo comune, mentre non ha praticamente effetti sulle correnti di modo differenziale. Dal momento che i flussi associati alle correnti di modo differenziale (che solitamente assumono grandi intensità) si elidono nel nucleo, non danno origine a fenomeni di saturazione. Le correnti di modo comune, invece, possono determinare la saturazione del nucleo all’aumentare della frequenza, per cui è preferibile ricorrere a ferriti a base di nichel e zinco.

Nella figura seguente è illustrato un modo per avvolgere un induttore di arresto del modo comune seguendo la regola della mano destra.

Un semplice modo per realizzare un induttore di modo comune (a) e regola della mano destra (b). Il pollice indica il verso della corrente mentre le altre dita la direzione del flusso del campo magnetico.

Per ridurre le capacità parassite, il lato d’ingresso e quello d’uscita devono trovarsi ai lati opposti dell’induttore.

Anelli di ferrite

Rispetto ai comuni materiali ferromagnetici, le ferriti presentano minori perdite dovute alle correnti parassite fino a frequenze dell’ordine del centinaio di megahertz. Per questo sono impiegate per attenuare le correnti di disturbo ad alta frequenza lasciando inalterate le componenti a frequenze più basse che rappresentano il segnale.

La forma più comune è l’anello illustrato nella figura seguente, che viene solitamente collocato attorno ad un conduttore.

Ferrite da mezza passata (a) e da più passate (b).

Gli anelli di ferrite hanno lo stesso effetto sia sulle correnti di modo comune che su quelle di modo differenziale. Valori di impedenza tipici per anelli di questo tipo sono dell’ordine del centinaio di ohm per frequenze superiori a 100 MHz. Se è necessario ottenere un’impedenza maggiore, allora si impiegano anelli a più fori che permettono di realizzare più passate.

Poiché l’impedenza offerta dagli anelli di ferrite è dell’ordine delle centinaia di ohm, questi trovano applicazione nei circuiti a bassa impedenza come gli alimentatori, nella realizzazione di filtri LC e nella riduzione delle oscillazioni dovute a tempi di salita rapidi.

Come tutte le ferriti, anche gli anelli risentono dell’effetto di saturazione se impiegati con correnti elevate. Per esempio, un anello di ferrite connesso in serie ai morsetti della rete di alimentazione viene con tutta probabilità saturato dalla corrente elevata (alcuni ampere) che vi scorre.


Bibliografia

Clayton R. Paul, Compatibilità elettromagnetica, Hoepli

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Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

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