Как да изчислим феритни сердечни трансформатори

Как да изчислим феритни сердечни трансформатори

Изчисляването на феритен трансформатор е процес, при който инженерите оценяват различните спецификации на намотката и размерите на сърцевината на трансформатора, като използват ферит като основен материал. Това им помага да създадат перфектно оптимизиран трансформатор за дадено приложение.



Публикацията представя подробно обяснение относно това как да се изчислят и проектират персонализирани феритни сердечни трансформатори. Съдържанието е лесно за разбиране и може да бъде много удобно за инженери, ангажирани в областта на силова електроника , и производство на SMPS инвертори.

Изчислете феритни трансформатори за инвертори и SMPS

Защо Ferrite Core се използва във високочестотни преобразуватели

Може би често сте се чудили каква е причината за използването на феритни ядра във всички съвременни захранващи устройства в режим на превключване или SMPS преобразуватели. Точно така е да се постигне по-висока ефективност и компактност в сравнение с захранващите елементи с желязна сърцевина, но би било интересно да се знае как феритните ядра ни позволяват да постигнем тази висока степен на ефективност и компактност?





Това е така, защото в железни сердечни трансформатори, железният материал има много по-ниска магнитна пропускливост от феритния материал. За разлика от тях, феритните ядра притежават много висока магнитна пропускливост.

Това означава, че когато е подложен на магнитно поле, феритният материал е в състояние да постигне много висока степен на намагнитване, по-добра от всички други форми на магнитен материал.



По-висока магнитна пропускливост означава, по-малко количество вихрови ток и по-ниски комутационни загуби. Магнитният материал обикновено има тенденция да генерира вихрови ток в отговор на нарастваща магнитна честота.

С увеличаване на честотата, вихровият ток също се увеличава, причинявайки нагряване на материала и увеличаване на импеданса на бобината, което води до допълнителни загуби при превключване.

Феритните сърцевини, поради своята висока магнитна пропускливост, са в състояние да работят по-ефективно с по-високи честоти, поради по-ниски вихрови токове и по-ниски комутационни загуби.

Сега може би си мислите, защо да не използвате по-ниска честота, тъй като това обратно би помогнало за намаляване на вихровите токове? Изглежда валидно, обаче, по-ниската честота би означавала и увеличаване на броя на завъртанията за един и същ трансформатор.

Тъй като по-високите честоти позволяват пропорционално по-малък брой завъртания, трансформаторът е по-малък, по-лек и по-евтин. Ето защо SMPS използва висока честота.

Инверторна топология

В инверторния режим на превключване обикновено излизат два вида топология: push-pull и Пълен мост . Издърпването използва централен кран за първичната намотка, докато пълният мост се състои от една намотка както за първична, така и за вторична.

Всъщност и двете топологии са с издърпващ характер. И в двете форми намотката се прилага с непрекъснато превключващ се обратен напред променлив ток от MOSFET-овете, осцилиращ при определената висока честота, имитиращ push-pull действие.

Единствената основна разлика между двете е, че основната страна на централния трансформатор на крана има 2 пъти повече обороти, отколкото трансформатора с пълен мост.

Как да изчислим инверторния трансформатор с феритна сърцевина

Изчисляването на трансформатор с феритна сърцевина всъщност е доста просто, ако имате всички посочени параметри в ръка.

За простота ще се опитаме да решим формулата чрез пример, създаден, да речем за трансформатор с мощност 250 вата.

Източникът на захранване ще бъде 12 V батерия. Честотата за превключване на трансформатора ще бъде 50 kHz, типична цифра за повечето SMPS инвертори. Ще приемем, че изходът е 310 V, което обикновено е пиковата стойност на 220 V RMS.

Тук 310 V ще бъде след коригиране чрез бързо възстановяване мостов токоизправител и LC филтри. Избираме ядрото като ETD39.

Както всички знаем, когато a 12 V батерия се използва, то напрежението никога не е постоянно. При пълно зареждане стойността е около 13 V, което продължава да спада, тъй като инверторният товар консумира енергия, докато накрая батерията се разрежда до най-ниската си граница, която обикновено е 10,5 V. Така че за нашите изчисления ще разгледаме 10,5 V като стойност на захранването V в (мин).

Основни завои

Стандартната формула за изчисляване на основния брой завъртания е дадена по-долу:

н (първо)= V в (съществително)x 108/ 4 х е х Б. максх ДА СЕ ° С

Тук н (първо)се отнася до основните номера на хода. Тъй като в нашия пример сме избрали топология с издърпване с централно натискане, полученият резултат ще бъде половината от общия брой необходими завъртания.

  • Вино (фамилия)= Средно входно напрежение. Тъй като нашето средно напрежение на батерията е 12V, нека вземем Вино (фамилия)= 12.
  • е = 50 kHz или 50 000 Hz. Това е предпочитаната честота на превключване, избрана от нас.
  • Б. макс= Максимална плътност на потока в Гаус. В този пример ще приемем Б. максда бъде в диапазона от 1300G до 2000G. Това е стандартната стойност на повечето феритни трансформаторни ядра. В този пример нека се спрем на 1500G. Така че имаме Б. макс= 1500. По-високи стойности на Б. максне се препоръчва, тъй като това може да доведе до достигане на точката на насищане на трансформатора. Обратно, по-ниски стойности на Б. максможе да доведе до недостатъчно използване на ядрото.
  • ДА СЕ° С= Ефективна площ на напречното сечение в cmдве. Тази информация може да бъде събрана от таблиците с данни за феритни ядра . Може да намерите и A° Скато се представя като Aе. За избрания номер на сърцевината ETD39, ефективната площ на напречното сечение, предоставена в листа с данни, е 125 mmдве. Това е равно на 1,25 смдве. Следователно имаме, A° С= 1,25 за ETD39.

Горните цифри ни дават стойностите за всички параметри, необходими за изчисляване на първичните завои на нашия SMPS инверторен трансформатор. Следователно, замествайки съответните стойности в горната формула, получаваме:

н (първо)= V в (съществително)x 108/ 4 х е х Б. максх ДА СЕ ° С

н (първо)= 12 х 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1.2

н (първо)= 3.2

Тъй като 3.2 е дробна стойност и може да бъде трудно да се приложи на практика, ще я закръглим до 3 оборота. Преди да финализираме тази стойност обаче, трябва да проучим дали стойността на Б. максвсе още е съвместим и в рамките на приемливия диапазон за тази нова закръглена стойност 3.

Защото намаляването на броя на завоите ще доведе до пропорционално увеличение на Б. макс, следователно става задължително да се провери дали увеличеното Б. максвсе още е в приемливия диапазон за нашите 3 основни завоя.

Проверка на брояча Б. максчрез заместване на следните съществуващи стойности получаваме:
Вино (фамилия)= 12, е = 50000, н в= 3, ДА СЕ ° С= 1,25

Б. макс= V в (съществително)x 108/ 4 х е х н (първо)х ДА СЕ ° С

Б. макс= 12 х 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25

Б. макс= 1600

Както може да се види новото Б. максстойност за н (в)= 3 оборота изглежда добре и е в рамките на приемливия диапазон. Това също означава, че ако по всяко време ви се иска да манипулирате броя на н (първо)завъртания, трябва да се уверите, че отговаря на съответните нови Б. максстойност.

Обратно, може да е възможно първо да се определи Б. максза желания брой първични обороти и след това коригирайте броя на завъртанията до тази стойност чрез подходящо модифициране на другите променливи във формулата.

Вторични завои

Сега знаем как да изчислим първичната страна на феритен SMPS инверторен трансформатор, време е да погледнем и от другата страна, която е вторичната на трансформатора.

Тъй като пиковата стойност трябва да бъде 310 V за вторичната, бихме искали стойността да се поддържа за целия диапазон на напрежение на батерията, започвайки от 13 V до 10,5 V.

Без съмнение ще трябва да наемем система за обратна връзка за поддържане на постоянно ниво на изходното напрежение, за противодействие на ниско напрежение на батерията или нарастващи изменения на тока на натоварване.

Но за това трябва да има някакво горно поле или пространство за улесняване на този автоматичен контрол. Запасът от +20 V изглежда достатъчно добре, затова избираме максималното изходно напрежение като 310 + 20 = 330 V.

Това също означава, че трансформаторът трябва да бъде проектиран да извежда 310 V при най-ниското напрежение на батерията 10,5.

За контрол на обратната връзка обикновено използваме саморегулираща се ШИМ верига, която разширява широчината на импулса по време на ниско ниво на батерията или голямо натоварване и го стеснява пропорционално при ненатоварване или оптимални условия на батерията.

Това означава, при ниски условия на батерията ШИМ трябва автоматично да се настрои на максимален работен цикъл, за да поддържа предвидената 310 V мощност. Този максимален ШИМ може да се приеме, че е 98% от общия работен цикъл.

Разликата от 2% остава за мъртвото време. Мъртвото време е нулевата разлика в напрежението между всяка честота на половин цикъл, през която MOSFET-ите или специфичните захранващи устройства остават напълно изключени. Това гарантира гарантирана безопасност и предотвратява пробиването през MOSFET по време на преходните периоди на циклите на издърпване.

Следователно входното захранване ще бъде минимално, когато напрежението на батерията достигне най-малкото си ниво, т.е. V в= V в (мин)= 10,5 V. Това ще накара работният цикъл да бъде най-много 98%.

Горните данни могат да се използват за изчисляване на средното напрежение (DC RMS), необходимо за първичната страна на трансформатора, за да генерира 310 V на вторичната, когато батерията е на минимум 10,5 V. За това умножаваме 98% с 10,5, както показано по-долу:

0,98 x 10,5 V = 10,29 V, това е номиналното напрежение, което трябва да има основният ни трансформатор.

Сега знаем максималното вторично напрежение, което е 330 V, и също така знаем първичното напрежение, което е 10,29 V. Това ни позволява да получим съотношението на двете страни като: 330: 10,29 = 32,1.

Тъй като съотношението на номиналното напрежение е 32,1, коефициентът на завъртане също трябва да бъде в същия формат.

Значение, x: 3 = 32,1, където x = вторични завои, 3 = първични завои.

Решавайки това, можем бързо да получим вторичния брой завъртания

Следователно вторичните завои са = 96,3.

Фигурата 96.3 е броят на вторичните завои, които са ни необходими за предложения феритен инверторен трансформатор, който проектираме. Както беше посочено по-рано, тъй като фракционните долини са трудни за практическо изпълнение, ние го закръгляме до 96 оборота.

Това завършва нашите изчисления и се надявам, че всички читатели тук трябва да са разбрали как просто да се изчисли феритен трансформатор за специфична SMPS инверторна верига.

Изчисляване на спомагателно навиване

Спомагателната намотка е допълнителна намотка, която потребителят може да изиска за някакво външно изпълнение.

Да предположим, че заедно с 330 V на вторичната, се нуждаете от друга намотка, за да получите 33 V за LED лампа. Първо изчисляваме вторичен: спомагателен коефициент на завъртане по отношение на вторичната намотка 310 V номинал. Формулата е:

нДА СЕ= Vсек/ (Vкъм+ Vд)

нДА СЕ= вторичен: спомагателно съотношение, Vсек= Вторично регулирано изправено напрежение, Vкъм= спомагателно напрежение, Vд= Стойност на диода напред за токоизправителния диод. Тъй като тук се нуждаем от високоскоростен диод, ще използваме токоизправител на Шотки с Vд= 0,5V

Решаването му ни дава:

нДА СЕ= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, нека го закръглим до 9.

Сега нека изведем броя на завъртанията, необходими за спомагателната намотка, получаваме това, като прилагаме формулата:

нкъм= Nсек/ НДА СЕ

Където Nкъм= помощни завои, Nсек= вторични завои, NДА СЕ= помощно съотношение.

От предишните ни резултати имаме Nсек= 96 и NДА СЕ= 9, като ги заместим в горната формула, получаваме:

нкъм= 96/9 = 10,66, закръгляването ни дава 11 завъртания. Така че за получаване на 33 V ще ни трябват 11 завъртания на вторичната страна.

Така че по този начин можете да оразмерите помощна намотка според вашите предпочитания.

Обобщавайки

В тази публикация научихме как да изчисляваме и проектираме инверторни трансформатори на базата на феритна сърцевина, като използваме следните стъпки:

  • Изчислете първичните завои
  • Изчислете вторичните завои
  • Определете и потвърдете Б. макс
  • Определете максималното вторично напрежение за ШИМ управление на обратната връзка
  • Намерете коефициент на първичен вторичен оборот
  • Изчислете вторичния брой завъртания
  • Изчислете оборотите на спомагателната намотка

Използвайки гореспоменатите формули и изчисления, заинтересован потребител може лесно да проектира персонализиран инвертор на базата на феритна сърцевина за SMPS приложение.

За въпроси и съмнения, моля не се колебайте да използвате полето за коментари по-долу, ще се опитам да разреша най-рано




Предишна: Видове Arduino платки със спецификации Напред: Обяснени цифрово-аналогови (ЦАП), Аналогово-цифрови (ADC) преобразуватели