Cum se calculează transformatoarele de miez de ferită

Încercați Instrumentul Nostru Pentru Eliminarea Problemelor





Calculul transformatorului de ferită este un proces în care inginerii evaluează diferitele specificații de înfășurare și dimensiunea miezului transformatorului, folosind ferita ca material de bază. Acest lucru îi ajută să creeze un transformator perfect optimizat pentru o anumită aplicație.

Postul prezintă o explicație detaliată cu privire la modul de calculare și proiectare a transformatoarelor de miez de ferită personalizate. Conținutul este ușor de înțeles și poate fi foarte la îndemână pentru inginerii angajați în domeniul electronice de putere și producerea de invertoare SMPS.



Calculați transformatoarele de ferită pentru invertoare și SMPS

De ce este utilizat Ferrite Core în convertoarele de înaltă frecvență

S-ar putea să vă fi întrebat adesea motivul din spatele utilizării miezurilor de ferită în toate sursele moderne de alimentare cu comutare sau convertoarele SMPS. Așa este, pentru a obține eficiență și compactitate mai mari în comparație cu sursele de alimentare cu miez de fier, dar ar fi interesant să știm cum miezurile de ferită ne permit să atingem acest grad ridicat de eficiență și compactitate?

Este pentru că în transformatoare cu miez de fier, materialul de fier are o permeabilitate magnetică mult mai mică decât materialul de ferită. În schimb, miezurile de ferită posedă o permeabilitate magnetică foarte mare.



Adică, atunci când este supus unui câmp magnetic, materialul de ferită este capabil să obțină un grad foarte mare de magnetizare, mai bun decât toate celelalte forme de material magnetic.

O permeabilitate magnetică mai mare înseamnă, o cantitate mai mică de curent turbionar și pierderi mai mici de comutare. Un material magnetic are în mod normal tendința de a genera curent turbionar ca răspuns la o frecvență magnetică în creștere.

Pe măsură ce frecvența crește, curentul turbionar crește, de asemenea, provocând încălzirea materialului și creșterea impedanței bobinei, ceea ce duce la pierderi de comutare suplimentare.

Miezurile de ferită, datorită permeabilității lor magnetice ridicate, pot funcționa mai eficient cu frecvențe mai mari, datorită curenților turbionari mai mici și a pierderilor de comutare mai mici.

Acum vă puteți gândi, de ce să nu folosiți o frecvență mai mică, deoarece acest lucru ar ajuta invers la reducerea curenților turbionari? Pare valabil, cu toate acestea, o frecvență mai mică ar însemna și creșterea numărului de rotații pentru același transformator.

Deoarece frecvențele mai mari permit un număr proporțional mai mic de rotații, rezultatele transformatorului sunt mai mici, mai ușoare și mai ieftine. Acesta este motivul pentru care SMPS utilizează o frecvență înaltă.

Topologie invertor

În invertoarele de comutare, în mod normal, două tipuri de topologie ies: push-pull și Pod complet . Împingerea utilizează o robinetă centrală pentru înfășurarea primară, în timp ce puntea completă constă într-o singură înfășurare atât pentru primar, cât și pentru secundar.

De fapt, ambele topologii sunt de natură push-pull. În ambele forme, înfășurarea este aplicată cu un curent alternativ invers-înainte de comutare de către MOSFET-uri, oscilând la frecvența înaltă specificată, imitând o acțiune push-pull.

Singura diferență fundamentală dintre cele două este că partea primară a transformatorului central de la robinet are un număr de 2 ori mai mare de viraje decât transformatorul Full Bridge.

Cum se calculează transformatorul de invertor cu nuclee de ferită

Calculul unui transformator de miez de ferită este de fapt destul de simplu, dacă aveți în mână toți parametrii specificați.

Pentru simplitate, vom încerca să rezolvăm formula printr-un exemplu configurat, să zicem pentru un transformator de 250 wați.

Sursa de alimentare va fi o baterie de 12 V. Frecvența pentru comutarea transformatorului va fi de 50 kHz, o cifră tipică în majoritatea invertoarelor SMPS. Vom presupune că ieșirea este de 310 V, care este în mod normal valoarea de vârf a unui RMS de 220V.

Aici, 310 V va fi după rectificare printr-o recuperare rapidă redresor de punte , și filtre LC. Selectăm nucleul ca ETD39.

După cum știm cu toții, când a Baterie de 12 V. este folosit, tensiunea nu este niciodată constantă. La încărcare completă, valoarea este de aproximativ 13 V, care continuă să scadă pe măsură ce încărcarea invertorului consumă energie, până când bateria se descarcă până la limita minimă, care este de obicei 10,5 V. Deci, pentru calculele noastre, vom considera 10,5 V ca valoare de alimentare pentru V în (min).

Turnuri primare

Formula standard pentru calcularea numărului principal de ture este dată mai jos:

N (prim)= V în (substantiv)x 108/ 4 x f X B maxX LA c

Aici N (prim)se referă la numerele primare de ture. Întrucât am selectat în exemplul nostru o topologie prin apăsare centrală, rezultatul obținut va fi jumătate din numărul total de ture necesare.

  • Vin (numele de familie)= Tensiunea medie de intrare. Deoarece tensiunea noastră medie a bateriei este de 12V, să luăm Vin (numele de familie)= 12.
  • f = 50 kHz sau 50.000 Hz. Este frecvența de comutare preferată, așa cum am selectat-o ​​noi.
  • B max= Densitatea maximă a fluxului în Gauss. În acest exemplu, vom presupune B maxsă fie în intervalul 1300G - 2000G. Aceasta este valoarea standard a celor mai multe nuclee transformatoare bazate pe ferită. În acest exemplu, să ne stabilim la 1500G. Deci avem B max= 1500. Valori mai mari de B maxnu este recomandat deoarece acest lucru poate duce la transformarea ajunge la punctul de saturație. În schimb, valori mai mici ale B maxpoate duce la subutilizarea nucleului.
  • LAc= Suprafața efectivă a secțiunii transversale în cmDouă. Aceste informații pot fi colectate din fișele tehnice ale miezurilor de ferită . Puteți găsi, de asemenea, Acfiind prezentat ca Aeste. Pentru numărul de bază selectat ETD39, suprafața efectivă a secțiunii transversale furnizate în foaia tehnică este de 125 mmDouă. Aceasta este egală cu 1,25cmDouă. Prin urmare avem, Ac= 1,25 pentru ETD39.

Figurile de mai sus ne oferă valorile pentru toți parametrii necesari pentru calcularea virajelor primare ale transformatorului nostru invertor SMPS. Prin urmare, înlocuind valorile respective în formula de mai sus, obținem:

N (prim)= V în (substantiv)x 108/ 4 x f X B maxX LA c

N (prim)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1.2

N (prim)= 3.2

Deoarece 3.2 este o valoare fracțională și poate fi dificil de implementat practic, o vom rotunji la 3 rânduri. Cu toate acestea, înainte de a finaliza această valoare, trebuie să investigăm dacă valoarea B maxeste încă compatibil și se încadrează în intervalul acceptabil pentru această nouă valoare rotunjită 3.

Deoarece scăderea numărului de viraje va determina o creștere proporțională a B max, prin urmare devine imperativ să verificăm dacă a crescut B maxse află încă în intervalul acceptabil pentru cele 3 ture principale.

Verificare contra B maxprin substituirea următoarelor valori existente obținem:
Vin (numele de familie)= 12, f = 50000, N la= 3, LA c= 1,25

B max= V în (substantiv)x 108/ 4 x f X N (prim)X LA c

B max= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25

B max= 1600

După cum se poate vedea noul B maxvaloare pentru N (la)= 3 ture arată bine și se încadrează în intervalul acceptabil. Acest lucru implică, de asemenea, că, dacă aveți oricând chef să manipulați numărul de N (prim)se rotește, trebuie să vă asigurați că respectă noul corespunzător B maxvaloare.

În mod opus, poate fi posibil să se determine mai întâi B maxpentru un număr dorit de ture primare și apoi ajustați numărul de ture la această valoare modificând în mod adecvat celelalte variabile din formulă.

Turnuri secundare

Acum știm cum să calculăm partea primară a unui transformator de ferită SMPS invertor, este timpul să ne uităm în cealaltă parte, adică secundara transformatorului.

Deoarece valoarea de vârf trebuie să fie de 310 V pentru secundar, am dori ca valoarea să fie susținută pentru întreaga gamă de tensiune a bateriei, începând de la 13 V până la 10,5 V.

Fără îndoială că va trebui să angajăm un sistem de feedback pentru menținerea unui nivel constant de tensiune de ieșire, pentru combaterea tensiunii scăzute a bateriei sau a variațiilor de curent de sarcină în creștere

Dar pentru aceasta trebuie să existe o marjă superioară sau un spațiu pentru facilitarea acestui control automat. O marjă de +20 V arată suficient de bine, prin urmare selectăm tensiunea maximă de vârf de ieșire ca 310 + 20 = 330 V.

Aceasta înseamnă, de asemenea, că transformatorul trebuie să fie proiectat să producă 310 V la cea mai mică tensiune a bateriei de 10,5.

Pentru controlul feedback-ului, folosim în mod normal un circuit PWM cu reglare automată, care lărgește lățimea impulsului în timpul bateriei reduse sau a încărcării mari și o restrânge proporțional în condiții de încărcare sau în condiții optime de baterie.

Aceasta înseamnă, la condiții de baterie slabă PWM trebuie să se adapteze automat la ciclul maxim de funcționare, pentru menținerea puterii de 310 V. Se poate presupune că acest PWM maxim este 98% din ciclul total de funcționare.

Decalajul de 2% este lăsat pentru timpul mort. Timpul mort este decalajul de tensiune zero între fiecare frecvență de jumătate de ciclu, timp în care MOSFET-urile sau dispozitivele de alimentare specifice rămân complet oprite. Acest lucru asigură siguranța garantată și previne împușcătura pe MOSFET-uri în perioadele de tranziție ale ciclurilor de împingere.

Prin urmare, alimentarea cu intrare va fi minimă când tensiunea bateriei atinge nivelul minim, adică atunci V în= V în (min)= 10,5 V. Acest lucru va determina ciclul de funcționare să fie la maximum 98%.

Datele de mai sus pot fi utilizate pentru calcularea tensiunii medii (DC RMS) necesare pentru partea primară a transformatorului pentru a genera 310 V la secundar, când bateria este la minimum 10,5 V. Pentru aceasta înmulțim 98% cu 10,5, ca prezentat mai jos:

0,98 x 10,5 V = 10,29 V, aceasta este tensiunea nominală pe care ar trebui să o aibă transformatorul nostru primar.

Acum, cunoaștem tensiunea secundară maximă, care este 330 V, și știm, de asemenea, tensiunea primară, care este 10,29 V. Acest lucru ne permite să obținem raportul celor două laturi ca: 330: 10,29 = 32,1.

Deoarece raportul tensiunii nominale este de 32,1, raportul de rotație ar trebui să fie, de asemenea, în același format.

Înțeles, x: 3 = 32,1, unde x = viraje secundare, 3 = viraje primare.

Rezolvând acest lucru putem obține rapid numărul secundar de ture

Prin urmare, virajele secundare sunt = 96,3.

Figura 96.3 reprezintă numărul de ture secundare de care avem nevoie pentru transformatorul de ferită propus pe care îl proiectăm. După cum sa menționat mai devreme, deoarece valvele fracționate sunt dificil de implementat practic, o rotunjim la 96 de spire.

Acest lucru încheie calculele noastre și sper că toți cititorii de aici trebuie să fi realizat cum să calculeze pur și simplu un transformator de ferită pentru un circuit invertor SMPS specific.

Calculul înfășurării auxiliare

O înfășurare auxiliară este o înfășurare suplimentară de care un utilizator poate avea nevoie pentru o anumită implementare externă.

Să presupunem că, împreună cu 330 V la secundar, aveți nevoie de o altă înfășurare pentru a obține 33 V pentru o lampă LED. Mai întâi calculăm secundar: auxiliar raportul de rotație în raport cu bobina secundară nominală 310 V. Formula este:

NLA= Vsec/ (Vla+ Vd)

NLA= raport secundar: auxiliar, Vsec= Tensiune rectificată secundară reglată, Vla= tensiune auxiliară, Vd= Valoarea de scădere a diodei pentru dioda redresoare. Deoarece avem nevoie de o diodă de mare viteză aici, vom folosi un redresor schottky cu Vd= 0,5V

Rezolvarea acesteia ne oferă:

NLA= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, să o rotunjim la 9.

Acum să obținem numărul de ture necesare înfășurării auxiliare, obținem acest lucru aplicând formula:

Nla= Nsec/ NLA

Unde Nla= viraje auxiliare, Nsec= viraje secundare, NLA= raportul auxiliar.

Din rezultatele noastre anterioare avem Nsec= 96 și NLA= 9, înlocuind acestea în formula de mai sus, obținem:

Nla= 96/9 = 10,66, rotunjirea ne dă 11 ture. Deci, pentru a obține 33 V vom avea nevoie de 11 spire pe partea secundară.

Deci, în acest fel, puteți dimensiona o înfășurare auxiliară conform preferințelor dumneavoastră.

Înfășurându-se

În această postare am învățat cum să calculăm și să proiectăm transformatoare inverter pe bază de miez de ferită, urmând pașii următori:

  • Calculați virajele primare
  • Calculați ture secundare
  • Determinați și confirmați B max
  • Determinați tensiunea secundară maximă pentru controlul feedback-ului PWM
  • Găsiți raportul de viraj secundar principal
  • Calculați numărul secundar de ture
  • Calculați întoarcerile auxiliare

Folosind formulele și calculele menționate mai sus, un utilizator interesat poate proiecta cu ușurință un invertor personalizat pe bază de miez de ferită pentru aplicații SMPS.

Pentru întrebări și dubii, vă rugăm să nu ezitați să utilizați caseta de comentarii de mai jos, voi încerca să rezolv cât mai curând posibil




Precedent: Tipuri de plăci Arduino cu specificații În continuare: Explicați convertoarele digital-analog (DAC), analog-digital (ADC)