18 marzo, 2021

¿Qué son los núcleos de ferritas?


Óxidos ferromagnéticos, o ferritas como son comúnmente llamados, son materiales cerámicos compuestos principalmente por óxido de hierro combinados con otros elementos metálicos.  Son materiales ferromagnéticos, esto es, pueden ser magnetizados o atraídos por imanes.

En electrónica, un núcleo de ferrita o filtro de ferrita, es un tipo de dispositivo diseñado para el filtro de corrientes "parásitas" que pasan a través de un conductor eléctrico.

La primera ferrita a ser utilizada por la humanidad fue la magnetita, de ocurrencia natural, utilizada en las brújulas y de crucial importancia en la época de las grandes navegaciones.  El desarrollo científico y tecnológico sobre las ferritas se inició al final del siglo XIX y la consolidación de las principales aleaciones y procesos productivos se dio entre las décadas de 1930 y 1940, originando una nueva industria, fortalecida por el crecimiento de la manufactura de electro-electrónicos a partir de los años 1960.

Las ferritas son divididas em dos categorías basadas en su coercividad: Ferritas suaves y ferritas duras.  Las ferritas duras poseen una coercividad alta, por eso son más difíciles de desmagnetizar, estas suelen ser utilizas como imanes en sistemas de refrigeración o en altoparlantes. Ya las ferritas suaves poseen coercividad baja, lo que genera pocas pérdidas al magnetizar y desmagnetizar el material, haciéndola ventajosa para diferentes aplicaciones de la electrónica de potencia.

El núcleo de ferrita evita la interferencia electromagnética (EMI, Electromagnetic interference) en dos direcciones: desde un dispositivo o hacia un dispositivo. Un cable conductor actúa como una antena; si el dispositivo produce energía de radiofrecuencia, esto se puede transmitir a través del cable, que actúa como un radiador involuntario. En este caso, el cordón es necesario para el cumplimiento normativo, para reducir el EMI. A la inversa, si hay otras fuentes de EMI, como electrodomésticos, el núcleo evita que el cable actúe como una antena y reciba interferencias de estos otros dispositivos. Esto es particularmente común en cables de datos y en equipos médicos.

Las propiedades magnéticas de las ferritas derivan de su estructura cristalina, donde los átomos metálicos ocupan posiciones bien definidas en relación a los átomos de oxígeno.  Las ferritas suaves en general poseen una estructura cubica del tipo espinela con formula genérica MeFe2O4, donde Me representa uno o más de los metales de transición Mn, Fe, Co, Ni, Cu o Zn

Las ferritas suaves compuestas por Ni-Zn y por Mn-Zn son las más utilizadas y son detalladas a continuación:

Ferritas Ni-Zn
Las ferritas de níquel- zinc difieren de las ferritas de manganeso por poseer una alta resistividad eléctrica y no una alta permeabilidad.  La permeabilidad de este tipo de material pude variar de 15-1500. Debido a esas características este tipo de material suele ser empleado en aplicaciones de alta frecuencia, en el orden de 2 MHz hasta centenas de MHz.

Ferritas Mn-Zn
Las ferritas de manganeso-zinc son más comúnmente encontradas en el mercado, siendo utilizadas en aplicaciones de hasta 2 MHz como por ejemplo: fuentes conmutadas, transformadores de corrientes e inductores de modo común. Ellas poseen alta permeabilidad, pudiendo variar de 750-30.000 y poseen una baja resistividad eléctrica si comparadas a las ferritas Ni-Zn.

Las ferritas Mn-Zn más utilizadas son las de media permeabilidad (aproximadamente 2.500) y suelen ser empleadas en los transformadores de fuentes automotrices y transformadores de potencia con flybacks, push-pull entre otros.  Por tener bajas pérdidas en alta frecuencia (hasta 2 MHz), este tipo de material presenta buenos resultados por reducir el volumen y aumentar el rendimiento de los componentes cuando comparados a los núcleos de hierro silicio. Otra aplicación popular de este tipo de material son los inductores de modo diferencial. Aumentando un gap en el camino magnético, la ferrita proporciona buena respuesta para filtros de salida.  Ellas también son aplicadas en transformadores de corriente para señales alternadas de alta frecuencia.

Ya las ferritas Mn-Zn de alta permeabilidad (por encima de 5.000) son ideales para construcción de inductores de modo común, pues es posible conseguir niveles de inductancia mayores utilizando menos vueltas, disminuyendo no solo el tamaño del inductor como también los costos por utilizar menos cobre.  Aunque es posible utilizarlas para fuentes conmutadas, no son tan interesantes para esta aplicación, pues presentan mayores pérdidas y poseen prácticamente mismo volumen

La Magmattec posee una lista de productos de ferritas de Mn-ZN de media y alta permeabilidad en diversos formatos y tamaños.  Para inductores de modo diferencial, transformadores para fuentes indicamos los materiales 139,140 y 144. Para inductores de modo común recomendamos los materiales 107 y 110.  Para un rendimiento aún mejor para aplicaciones de hasta 100 kHz, haga clique aquí para conocer el material nanocristalino.