Energie- und Datenübertragung
Die zuverlässige Übertragung von Daten und Energie bildet eine zentrale Grundlage moderner elektrischer und elektronischer Systeme. In nahezu allen Anwendungsbereichen – von der industriellen Automatisierung über die Informations- und Kommunikationstechnik bis hin zu Automotive- und Medizintechnik – sind leistungsfähige und störungsarme Übertragungsstrecken von entscheidender Bedeutung. Dabei kommen sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Technologien zum Einsatz, die jeweils spezifische Vorteile, Herausforderungen und Anforderungen mit sich bringen.
Eine exemplarische Übersicht über die verschiedenen Übertragungs-Netzwerke im Industriellen Umfeld bietet folgende Grafik:
- Bild 1 – Übersicht Industrieller Netzwerke, Stand 2025
Drahtgebundene Übertragungsverfahren wie klassische Kupferleitungen, Koaxialkabel und Lichtwellenleiter werden seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Insbesondere Single Pair Ethernet (SPE) gewinnt hier in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung, vor allem in der Industrieautomation und in der Gebäude- sowie Fahrzeugtechnik. SPE ermöglicht die Datenübertragung über nur ein verdrilltes Adernpaar und erlaubt in Kombination mit Power over Data Line (PoDL) die gleichzeitige Übertragung von Daten und elektrischer Energie. In anderen Anwendungsbereichen sind Standards und Protokolle wie Ethernet, CAN, USB, HDMI oder Powerline(PLC) weit verbreitet und ermöglichen hohe Datenraten, robuste Kommunikation und flexible Systemarchitekturen.
Parallel dazu gewinnen drahtlose Technologien zunehmend an Bedeutung. Funkbasierte Systeme wie WLAN, Bluetooth, NFC und Mobilfunkstandards sowie kontaktlose Energieübertragungsverfahren auf induktiver oder resonanter Basis ermöglichen neue Anwendungen und hohe Flexibilität. Gleichzeitig stellen diese Technologien erhöhte Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit, da sie besonders empfindlich gegenüber Störeinflüssen sind und selbst als Störquellen wirken können.
Mit steigenden Übertragungsfrequenzen, Datenraten und Leistungsdichten nehmen jedoch auch elektromagnetische Störungen, Leitungsdämpfung, Übersprechen und Abstrahlung zu.
Entstörung durch den Einsatz von Ferriten
Vor diesem Hintergrund kommt der Entstörung und Schirmung von Daten- und Energieübertragungsstrecken eine zentrale Rolle zu. Ferrite haben sich hierbei als bewährte passive Bauelemente etabliert, um hochfrequente Störanteile zu dämpfen, Gleichtaktstörungen zu unterdrücken und elektromagnetische Emissionen zu reduzieren, ohne die Integrität der Nutzsignale wesentlich zu beeinträchtigen. Dadurch leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Einhaltung elektromagnetischer Verträglichkeitsanforderungen und erleichtern insbesondere das Erreichen normativer Grenzwerte für leitungsgebundene und abgestrahlte Störaussendungen. Gleichzeitig tragen sie zu einer höheren Funktionssicherheit elektronischer Systeme bei, indem sie störungsbedingte Beeinträchtigungen der Signalübertragung reduzieren und die Robustheit gegenüber externen elektromagnetischen Einflüssen erhöhen. Diese positiven Effekte sind in zahlreichen technischen Anwendungsfeldern von Bedeutung, insbesondere in der Medizintechnik, der Industrieautomatisierung sowie in der Nachrichten- und Kommunikationstechnik, in denen sowohl eine hohe Betriebssicherheit als auch die Einhaltung strenger EMV-Vorgaben erforderlich sind. Darüber hinaus lassen sich speziell geformte Ferritbauteile häufig so in bestehende Systeme integrieren, dass sich die Geometrie und das mechanische Design des Gesamtsystems nur geringfügig ändern, was ihre praktische Implementierung zusätzlich erleichtert.
Im Kontext der Daten- und Energieübertragung lassen sich für Ferrite und verwandte EMV-Maßnahmen grob zwei zentrale Anwendungsfälle unterscheiden: die Entstörung hochfrequenter Signale auf leitungsgebundenen Übertragungswegen sowie die Abschirmung drahtloser Übertragungsstrecken gegen unerwünschte elektromagnetische Kopplungen. Beide Funktionen beruhen auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien und Zielsetzungen.
Entstörung von HF-Signalen in drahtgebundenen Systemen
Bei drahtgebundenen Übertragungsstrecken treten neben den gewünschten Nutzsignalen häufig hochfrequente Störanteile auf. Diese entstehen beispielsweise durch steile Schaltflanken in Leistungselektroniken, durch getaktete DC/DC-Wandler oder durch elektromagnetische Einkopplung aus benachbarten Leitungen. Ferrite werden hier gezielt als frequenzabhängige Impedanzen eingesetzt.
Entstörferrite wirken wie eine Drossel mit geringer Induktivität. Bei hohen Frequenzen wirkt das Bauteil wie eine Induktivität mit starken Verlusten und großem Blindwiderstand. Sie besitzen einen kleinen Gütefaktor. Die in diesem Anwendungsfall erwünschten Verluste verhindern Resonanzen mit Parasitär- und Leitungskapazitäten. Umgekehrt eignen sich Induktivitäten mit hohem Gütefaktor nicht gut als Störfilter.
Ein Ferrit lässt sich elektrisch als komplexe Impedanz beschreiben:
Z(f) = R(f) + jX(f)
Darin ist
Z(f): die komplexe Impedanz
R(f): der Realteil (Verlustanteil/resistiv)
X(f): der Imaginärteil (Blindanteil/induktiv)
Beide Anteile R(f) und X(f) sind stark frequenzabhängig.
Der Imaginärteil X(f)
Bei niedrigen Frequenzen wirkt der Ferrit hauptsächlich wie eine Induktivität:
XL = 2 π f L
Ein Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld in der Induktivität des Ferrits. Dabei wird zyklisch Energie im Magnetfeld gespeichert und wieder abgegeben, nicht vernichtet. Das Nutzsignal wird kaum gedämpft. Das kann in ungünstigen Fällen (z.B. in Verbindung mit Kapazitäten) zu einer Resonanz und somit zu einem Anwachsen des Störsignals führen.
Der Realteil R(f)
Mit steigender Frequenz treten magnetische Verluste wie Hystereseverluste und Wirbelstromverluste auf. Diese führen zu einem wachsenden Realteil der Impedanz. Im Realteil der Impedanz wird HF-Störenergie in Wärme umgesetzt und aus dem Signalpfad entfernt. Dadurch können Resonanzeffekte unterdrückt werden.
Das frequenzabhängige Zusammenspiel
Bei niedrigen Frequenzen ist der Ferrit überwiegend induktiv. Es entsteht geringe Störsignal-Dämpfung. Bei mittleren Frequenzen steigt der ohmsche Anteil der Impedanz stark an. Hier ergibt sich die maximale Dämpfung des HF-Störsignals. Energie wird absorbiert und in Wärme umgewandelt. Bei sehr hohen Frequenzen kommen parasitäre Kapazitäten zum Tragen. Die magnetische Wirkung des Ferrits nimmt ab. Die Impedanz sinkt.
Ferrite entstören besser als ideale Spulen, da sie einen großen Verlustanteil besitzen. Die HF-Energie wird nicht zurückgeworfen, sondern vernichtet. Das verhindert Resonanzen und ist EMV-technisch extrem wichtig.
Das folgende Diagramm zeigt exemplarisch die Verläufe von Z, R und X über die Frequenz zum Neosid-Ferritmaterial F02:
- Bild 2 – Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz zum Ferritmaterial F02(MnZn)
Die komplexe Permeabilität
Die Ursache für die gute Entstörwirkung von Ferriten liegt in der komplexen Permeabilität:
μ = μ‘ – jμ“
Darin ist:
μ: die komplexe Permeabilität
μ‘: der speichernde induktive Anteil X
μ“: der Verlustanteil bzw. Realteil R
Mit steigender Frequenz wächst μ“ und die Dämpfung nimmt zu.
Praktisch kann man zusammenfassen: der Ferrit ist keine ideale Induktivität, sondern ein verlustbehafteter HF-Widerstand, dessen Verlustanteil mit der Frequenz zunimmt.
Im folgenden Graph sind beispielhaft die frequenzabhängigen Kennlinien für μ‘ und μ“ zum Neosid-Ferritmaterial F02 dargestellt:
- Bild 3 – Komplexe Permeabilität in Abhängigkeit von der Frequenz zum Ferrit-Material F02(MnZn)
Besonders wirksam sind Ferrite bei der Unterdrückung von Gleichtaktstörungen, da diese häufig für unerwünschte Abstrahlung verantwortlich sind. Ferritkerne oder -perlen, die über Leitungen geführt werden, erhöhen die Gleichtaktimpedanz, ohne den differentiellen Signalpfad wesentlich zu beeinflussen. Bei niedrigen Frequenzen bzw. bei Gleichspannung haben Sie nahezu keinen Effekt.
Mit Ferrit-Entstör-Elementen lassen sich EMV-Grenzwerte einhalten und die Signalqualität stabilisieren, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsprotokollen wie Ethernet oder Single Pair Ethernet.
Abschirmung drahtloser Übertragungsstrecken
Bei drahtlosen Übertragungsverfahren erfolgt die Signalübertragung über elektromagnetische Felder. Hier besteht die Herausforderung weniger in der Reduzierung leitungsgebundener Störungen, sondern vielmehr in der Kontrolle und Begrenzung der Feldverteilung. Ferritische Materialien werden in diesem Anwendungsfall zur magnetischen Abschirmung eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen magnetischen Permeabilität beeinflussen sie gezielt den magnetischen Feldverlauf, indem sie Feldlinien bündeln, umlenken oder dämpfen.
Dies ist ebenso bei induktiven oder resonanten Energieübertragungssystemen von Bedeutung, bei denen magnetische Wechselfelder genutzt werden. Ferrite reduzieren hier Streufelder, minimieren Verluste und verringern unerwünschte Kopplungen zu benachbarten elektronischen Baugruppen. Gleichzeitig tragen sie dazu bei, elektromagnetische Emissionen zu begrenzen und die Störfestigkeit gegenüber externen Feldern zu erhöhen.
Als Beispiel kann hier die induktive Übertragungsstrecke beim kontaktlosen Laden von verschiedenen Fahrzeugen genannt werden. Personenkraftwagen, E-Bikes oder andere mobile Fahrzeuge können mit dieser Technologie komfortabel und effizient mit Energie versorgt werden.
- Bild 4 – Simulation einer Übertragungsspule zum induktiven Laden eines Elektrischen Fahrzeugs(EV)
Zusammenfassend dienen Ferrite sowohl der frequenzselektiven Dämpfung unerwünschter HF-Störungen in leitungsgebundenen Systemen als auch der gezielten Beeinflussung elektromagnetischer Felder bei drahtlosen Übertragungsstrecken. Damit stellen sie ein zentrales Element moderner EMV-gerechter Systemauslegungen dar.
Neosid – Ihr Spezialist für passgenaue Ferrite
Als Hersteller weichmagnetischer Ferrite verfügt Neosid über die Möglichkeit, Ferritbauteile gezielt an die elektromagnetischen und mechanischen Anforderungen moderner Daten- und Energieübertragungssysteme anzupassen. Die Auslegung erfolgt dabei stets anwendungsorientiert und berücksichtigt sowohl die physikalischen Wirkmechanismen der Störunterdrückung als auch die geometrischen Randbedingungen der jeweiligen Applikation.
Ausgangspunkt der elektromagnetischen Auslegung ist die Analyse des relevanten Frequenzspektrums. Abhängig davon, ob die Ferrite zur Entstörung leitungsgebundener Hochfrequenzstörungen oder zur Beeinflussung magnetischer Felder in drahtlosen Übertragungsstrecken eingesetzt werden, werden aus einer Vielzahl von verschiedenen Werkstoffen Materialsysteme mit definierten komplexen Permeabilitäten (μ’ und μ’’) ausgewählt. Für die HF-Entstörung liegt der Fokus auf einem hohen Verlustanteil im Ziel-Frequenzbereich, um Störströme effektiv zu dämpfen und in Wärme umzusetzen. Für Abschirm- und Feldführungsanwendungen stehen hingegen hohe Permeabilitäten und geringe Verluste im Vordergrund, um magnetische Feldlinien gezielt zu lenken und Streufelder zu reduzieren.
Parallel zur Materialauswahl erfolgt die geometrische Auslegung der Ferritbauteile. Form, Wandstärke und effektiver Querschnitt werden so dimensioniert, dass die gewünschte Impedanz oder magnetische Wirkung erreicht wird, ohne unerwünschte Sättigungseffekte oder Resonanzen zu erzeugen. Bei leitungsgebundenen Anwendungen werden beispielsweise geschlossene oder geteilte Kerne, Hülsen oder Mehrlochgeometrien eingesetzt, um eine maximale Gleichtaktimpedanz bei minimalem Einfluss auf das Nutzsignal zu erzielen. Für drahtlose Energieübertragungssysteme werden flächige oder segmentierte Ferritstrukturen entwickelt, die sich optimal in den Bauraum integrieren lassen und eine homogene Feldverteilung unterstützen.
Zur Absicherung der Auslegung nutzt Neosid numerische Simulationsmethoden, wie elektromagnetische Feldsimulationen und Ersatzschaltmodelle, ergänzt durch material- und bauteilspezifische Messungen. Prototypen werden unter realen Betriebsbedingungen charakterisiert, um Dämpfung, Verluste und thermisches Verhalten zu validieren. Durch diese enge Verzahnung von Materialentwicklung, Geometrieauslegung und messtechnischer Verifikation ist Neosid in der Lage, kundenspezifische Ferritlösungen bereitzustellen, die sowohl EMV-Anforderungen als auch mechanische und thermische Randbedingungen zuverlässig erfüllen.
Immer perfekt abgestimmt
Durch unser spezielles Spritzgussverfahren können wir speziell auf Ihre Anwendung, für die von Ihnen definierte Aufgabe und für den durch Sie vorgegeben Bauraum optimierte Formen von Ferriten realisieren, die durch das sonst übliche Trockenpressen nicht möglich wären. Bei uns finden Sie eine Vielzahl von Ferriten aus Nickel-Zink (Ni-Zn), Mangan-Zink (Mn-Zn) und aus Composit-Werkstoffen(z.B. Metallpulver und Polymer).
Haben wir Ihr Interesse geweckt?
Sprechen Sie uns an – wir entwickeln passgenaue Bauteile aus weichmagnetischen Ferriten der neuesten Generation.