Obliczanie transformatora ferrytowego to proces, w którym inżynierowie oceniają różne specyfikacje uzwojenia i wymiary rdzenia transformatora, używając ferrytu jako materiału rdzenia. Pomaga im to stworzyć idealnie zoptymalizowany transformator dla danej aplikacji.
W poście przedstawiono szczegółowe wyjaśnienie dotyczące obliczania i projektowania niestandardowych transformatorów z rdzeniem ferrytowym. Treść jest łatwa do zrozumienia i może być bardzo przydatna dla inżynierów zajmujących się dziedziną elektronika mocy i produkcja falowników SMPS.
Dlaczego rdzeń ferrytowy jest używany w przetwornicach wysokiej częstotliwości
Być może często zastanawiałeś się, dlaczego używa się rdzeni ferrytowych we wszystkich nowoczesnych zasilaczach impulsowych lub konwerterach SMPS. Racja, ma osiągnąć wyższą wydajność i zwartość w porównaniu do zasilaczy z rdzeniem żelaznym, ale byłoby interesujące wiedzieć, w jaki sposób rdzenie ferrytowe pozwalają nam osiągnąć tak wysoki stopień wydajności i zwartości?
To dlatego, że w transformatory z rdzeniem żelaznym, żelazo ma dużo gorszą przepuszczalność magnetyczną niż materiał ferrytowy. Z kolei rdzenie ferrytowe mają bardzo wysoką przenikalność magnetyczną.
Oznacza to, że materiał ferrytowy poddany działaniu pola magnetycznego jest w stanie osiągnąć bardzo wysoki stopień namagnesowania, lepszy niż wszystkie inne formy materiału magnetycznego.
Wyższa przenikalność magnetyczna oznacza mniejszą ilość prądów wirowych i mniejsze straty przełączania. Materiał magnetyczny ma zwykle tendencję do generowania prądu wirowego w odpowiedzi na rosnącą częstotliwość magnetyczną.
Wraz ze wzrostem częstotliwości wzrasta również prąd wirowy, powodując nagrzewanie materiału i wzrost impedancji cewki, co prowadzi do dalszych strat przełączania.
Rdzenie ferrytowe, ze względu na wysoką przenikalność magnetyczną, są w stanie pracować wydajniej przy wyższych częstotliwościach, dzięki mniejszym prądom wirowym i mniejszym stratom przełączania.
Możesz pomyśleć, dlaczego nie zastosować niższej częstotliwości, ponieważ pomogłoby to zmniejszyć prądy wirowe? Wydaje się jednak słuszne, jednak niższa częstotliwość oznaczałaby również zwiększenie liczby zwojów tego samego transformatora.
Ponieważ wyższe częstotliwości pozwalają na proporcjonalnie mniejszą liczbę zwojów, skutkuje to tym, że transformator jest mniejszy, lżejszy i tańszy. Dlatego SMPS używa wysokiej częstotliwości.
Topologia falownika
W falownikach impulsowych zwykle występują dwa typy topologii: przeciwsobne i Pełny most . Push pull wykorzystuje centralny zaczep do uzwojenia pierwotnego, podczas gdy pełny mostek składa się z jednego uzwojenia zarówno dla pierwotnego, jak i wtórnego.
W rzeczywistości obie topologie mają charakter przeciwsobny. W obu postaciach uzwojenie jest zasilane przez tranzystory MOSFET ciągłym przełączaniem prądu przemiennego do tyłu i do przodu, oscylując z określoną wysoką częstotliwością, imitując działanie przeciwsobne.
Jedyna podstawowa różnica między nimi polega na tym, że strona pierwotna transformatora z zaczepem środkowym ma 2 razy większą liczbę zwojów niż transformator z pełnym mostkiem.
Jak obliczyć transformator falownika ferrytowego
Obliczenie transformatora z rdzeniem ferrytowym jest w rzeczywistości dość proste, jeśli masz pod ręką wszystkie określone parametry.
Dla uproszczenia spróbujemy rozwiązać formułę za pomocą przykładowej konfiguracji, powiedzmy dla 250-watowego transformatora.
Źródłem zasilania będzie bateria 12 V. Częstotliwość przełączania transformatora będzie wynosić 50 kHz, co jest typową wartością w większości falowników SMPS. Przyjmiemy, że napięcie wyjściowe wynosi 310 V, co zwykle jest wartością szczytową 220 V RMS.
Tutaj 310 V będzie po wyprostowaniu poprzez szybkie przywrócenie mostek prostowniczy i filtry LC. Wybieramy rdzeń jako ETD39.
Jak wszyscy wiemy, kiedy Akumulator 12 V. jest używane, jego napięcie nigdy nie jest stałe. Przy pełnym naładowaniu wartość wynosi około 13 V, która spada wraz ze zużyciem energii przez falownik, aż w końcu akumulator rozładowuje się do najniższego limitu, który zwykle wynosi 10,5 V.W naszych obliczeniach weźmiemy więc 10,5 V jako wartość zasilania dla V za (min).
Zwroty podstawowe
Standardowy wzór na obliczenie pierwotnej liczby zwojów podano poniżej:
N (pierwszy)= V in (rzecz.)x 108/ 4 x fa x b maxx DO do
Tutaj N (pierwszy)odnosi się do podstawowych numerów tur. Ponieważ w naszym przykładzie wybraliśmy środkową topologię wypychania zaczepów, uzyskany wynik będzie stanowił połowę całkowitej liczby wymaganych zwojów.
- Wino (nazwisko)= Średnie napięcie wejściowe. Ponieważ nasze średnie napięcie akumulatora wynosi 12 V, weźmy Wino (nazwisko)= 12.
- fa = 50 kHz lub 50 000 Hz. Jest to wybrana przez nas preferowana częstotliwość przełączania.
- b max= Maksymalna gęstość strumienia w Gaussach. W tym przykładzie założymy b maxbyć w zakresie od 1300G do 2000G. Jest to standardowa wartość większości rdzeni transformatorowych na bazie ferrytu. W tym przykładzie ustalmy wartość 1500G. Więc mamy b max= 1500. Wyższe wartości b maxnie jest zalecane, ponieważ może to spowodować osiągnięcie punktu nasycenia transformatora. I odwrotnie, niższe wartości b maxmoże spowodować niedostateczne wykorzystanie rdzenia.
- DOdo= Efektywne pole przekroju poprzecznego w cmdwa. Te informacje mogą być gromadzone z kart katalogowych rdzeni ferrytowych . Możesz również znaleźć A.doprzedstawiana jako Ajest. Dla wybranego numeru rdzenia ETD39 efektywna powierzchnia przekroju podana w arkuszu danych wynosi 125 mmdwa. To jest równe 1,25 cmdwa. Dlatego mamy Ado= 1,25 dla ETD39.
Powyższe liczby dają nam wartości wszystkich parametrów wymaganych do obliczenia zwojów pierwotnych naszego transformatora falownika SMPS. Dlatego podstawiając odpowiednie wartości w powyższym wzorze otrzymujemy:
N (pierwszy)= V in (rzecz.)x 108/ 4 x fa x b maxx DO do
N (pierwszy)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (pierwszy)= 3,2
Ponieważ 3,2 jest wartością ułamkową i może być trudne do wdrożenia w praktyce, zaokrąglimy ją do 3 tur. Jednak przed ustaleniem tej wartości musimy zbadać, czy wartość b maxjest nadal zgodny i mieści się w dopuszczalnym zakresie dla tej nowej zaokrąglonej wartości 3.
Ponieważ zmniejszenie liczby zwojów spowoduje proporcjonalny wzrost wartości b maxdlatego konieczne staje się sprawdzenie, czy wzrosła b maxnadal mieści się w dopuszczalnym zakresie dla naszych 3 głównych tur.
Sprawdzanie licznika b maxzastępując następujące istniejące wartości otrzymujemy:
Wino (nazwisko)= 12, fa = 50000, N w= 3, DO do= 1,25
b max= V in (rzecz.)x 108/ 4 x fa x N (pierwszy)x DO do
b max= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
b max= 1600
Jak widać nowy b maxwartość dla N (w)= 3 obroty wygląda dobrze i mieści się w dopuszczalnym zakresie. Oznacza to również, że jeśli kiedykolwiek masz ochotę manipulować liczbą plików N (pierwszy)zakręty, musisz upewnić się, że jest zgodny z odpowiednim nowym b maxwartość.
Wręcz przeciwnie, może być możliwe najpierw określenie b maxżądaną liczbę zwojów pierwotnych, a następnie dostosuj liczbę zwojów do tej wartości, odpowiednio modyfikując inne zmienne we wzorze.
Dodatkowe zwroty
Teraz wiemy, jak obliczyć stronę pierwotną transformatora falownika ferrytowego SMPS, czas przyjrzeć się drugiej stronie, czyli stronie wtórnej transformatora.
Ponieważ wartość szczytowa musi wynosić 310 V dla strony wtórnej, chcielibyśmy, aby wartość utrzymywała się dla całego zakresu napięcia akumulatora, począwszy od 13 V do 10,5 V.
Bez wątpienia będziemy musieli zatrudnić system informacji zwrotnej do utrzymywania stałego poziomu napięcia wyjściowego, do przeciwdziałania niskim napięciu akumulatora lub rosnącym wahaniom prądu obciążenia.
Ale w tym celu musi istnieć pewien górny margines lub zapas dla ułatwienia tej automatycznej kontroli. Margines +20 V wygląda wystarczająco dobrze, dlatego wybieramy maksymalne napięcie szczytowe wyjściowe jako 310 + 20 = 330 V.
Oznacza to również, że transformator musi być zaprojektowany tak, aby wyprowadzać 310 V przy najniższym napięciu akumulatora 10,5.
Do sterowania sprzężeniem zwrotnym zwykle stosujemy samoregulujący obwód PWM, który zwiększa szerokość impulsu przy niskim poziomie naładowania baterii lub przy dużym obciążeniu i zmniejsza ją proporcjonalnie przy braku obciążenia lub w optymalnych warunkach akumulatora.
Oznacza to, w niski stan baterii PWM musi automatycznie dostosować się do maksymalnego cyklu pracy, aby utrzymać ustalone napięcie wyjściowe 310 V. Można przyjąć, że ten maksymalny PWM wynosi 98% całkowitego cyklu pracy.
2% luka pozostaje na czas martwy. Czas martwy to zerowa przerwa napięciowa między każdą częstotliwością pół cyklu, podczas której tranzystory MOSFET lub określone urządzenia zasilające pozostają całkowicie wyłączone. Zapewnia to bezpieczeństwo i zapobiega przepuszczaniu przez tranzystory MOSFET podczas okresów przejściowych cykli push pull.
Stąd zasilanie wejściowe będzie minimalne, gdy napięcie akumulatora osiągnie swój minimalny poziom, czyli kiedy V w= V za (min)= 10,5 V. Spowoduje to, że cykl pracy osiągnie maksymalny poziom 98%.
Powyższe dane można wykorzystać do obliczenia średniego napięcia (DC RMS) wymaganego dla strony pierwotnej transformatora do wytworzenia 310 V na stronie wtórnej, gdy bateria ma minimum 10,5 V. W tym celu mnożymy 98% przez 10,5, jako pokazane poniżej:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, to jest przypuszczalnie napięcie znamionowe naszego pierwotnego transformatora.
Teraz znamy maksymalne napięcie wtórne, które wynosi 330 V, a także znamy napięcie pierwotne, które wynosi 10,29 V. To pozwala nam uzyskać stosunek obu stron jako: 330: 10,29 = 32,1.
Ponieważ stosunek napięć wynosi 32,1, przekładnia powinna być również w tym samym formacie.
Znaczenie, x: 3 = 32,1, gdzie x = zwoje wtórne, 3 = zwoje pierwotne.
Rozwiązując to możemy szybko uzyskać dodatkową liczbę zwojów
Dlatego wtórne zwoje wynosi = 96,3.
Liczba 96,3 to liczba zwojów wtórnych, których potrzebujemy dla proponowanego transformatora z falownikiem ferrytowym, który projektujemy. Jak wspomniano wcześniej, ponieważ wartości ułamkowe są trudne do wprowadzenia w praktyce, zaokrąglamy je do 96 obrotów.
Na tym kończą się nasze obliczenia i mam nadzieję, że wszyscy czytelnicy musieli zdać sobie sprawę, jak po prostu obliczyć transformator ferrytowy dla określonego obwodu falownika SMPS.
Obliczanie uzwojenia pomocniczego
Uzwojenie pomocnicze to uzwojenie dodatkowe, którego użytkownik może wymagać w przypadku niektórych zastosowań zewnętrznych.
Powiedzmy, że wraz z napięciem 330 V po stronie wtórnej potrzebujesz innego uzwojenia, aby uzyskać 33 V dla lampy LED. Najpierw obliczamy wtórny: pomocniczy współczynnik zwojów w odniesieniu do napięcia znamionowego uzwojenia wtórnego 310 V. Formuła to:
NDO= Vsek/ (Vdo+ Vre)
NDO= wtórny: stosunek pomocniczy, Vsek= Wtórnie regulowane napięcie wyprostowane, V.do= napięcie pomocnicze, V.re= Wartość spadku diody do przodu dla diody prostowniczej. Ponieważ potrzebujemy tutaj diody o dużej szybkości, użyjemy prostownika Schottky'ego z V.re= 0,5 V.
Rozwiązanie go daje nam:
NDO= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, zaokrąglijmy to do 9.
Teraz wyprowadźmy liczbę zwojów potrzebną do uzwojenia pomocniczego, otrzymujemy to, stosując wzór:
Ndo= Nsek/ NDO
Gdzie N.do= zwoje pomocnicze, Nsek= zwoje wtórne, NDO= współczynnik pomocniczy.
Z naszych poprzednich wyników mamy Nsek= 96 i NDO= 9, zastępując je w powyższym wzorze otrzymujemy:
Ndo= 96/9 = 10,66, zaokrąglenie daje nam 11 obrotów. Aby uzyskać 33 V, potrzebujemy 11 zwojów po stronie wtórnej.
W ten sposób możesz zwymiarować uzwojenie pomocnicze zgodnie z własnymi preferencjami.
Podsumowując
W tym poście dowiedzieliśmy się, jak obliczyć i zaprojektować transformatory inwerterowe z rdzeniem ferrytowym, wykonując następujące kroki:
- Oblicz zwoje pierwotne
- Oblicz zwoje wtórne
- Określ i potwierdź b max
- Określić maksymalne napięcie wtórne do sterowania ze sprzężeniem zwrotnym PWM
- Znajdź współczynnik głównego zwrotu
- Oblicz dodatkową liczbę zwojów
- Oblicz pomocnicze zwoje uzwojenia
Korzystając z wyżej wymienionych wzorów i obliczeń, zainteresowany użytkownik może łatwo zaprojektować niestandardowy falownik oparty na rdzeniu ferrytowym do aplikacji SMPS.
W przypadku pytań i wątpliwości prosimy o skorzystanie z pola komentarza poniżej, spróbuję rozwiązać najwcześniej
Poprzedni: Rodzaje płyt Arduino ze specyfikacjami Dalej: Wyjaśnienie konwerterów cyfrowo-analogowych (DAC), analogowo-cyfrowych (ADC)
