Izračunavanje feritnog transformatora postupak je u kojem inženjeri procjenjuju različite specifikacije namota i dimenziju jezgre transformatora, koristeći ferit kao materijal jezgre. To im pomaže u stvaranju savršeno optimiziranog transformatora za određenu primjenu.
Post predstavlja detaljno objašnjenje o tome kako izračunati i dizajnirati prilagođene feritne transformatore. Sadržaj je lako razumljiv i može biti vrlo koristan za inženjere koji se bave tim područjem energetska elektronika , i proizvodnja SMPS pretvarača.
Zašto se feritna jezgra koristi u visokofrekventnim pretvaračima
Možda ste se često pitali razlog upotrebe feritnih jezgri u svim modernim napajanjima ili SMPS pretvaračima. Točno, postići ćemo veću učinkovitost i kompaktnost u usporedbi s napajanjima željezne jezgre, ali bilo bi zanimljivo znati kako nam feritne jezgre omogućuju postizanje ovog visokog stupnja učinkovitosti i kompaktnosti?
To je zato što u transformatori od željezne jezgre, željezni materijal ima mnogo slabiju magnetsku propusnost od feritnog materijala. Suprotno tome, feritne jezgre posjeduju vrlo visoku magnetsku propusnost.
Znači, kada je podvrgnut magnetskom polju, feritni materijal može postići vrlo visok stupanj magnetizacije, bolji od svih ostalih oblika magnetskog materijala.
Veća magnetska propusnost znači, manju količinu vrtložne struje i niže sklopne gubitke. Magnetski materijal obično ima tendenciju stvaranja vrtložne struje kao odgovor na rastuću magnetsku frekvenciju.
Kako se frekvencija povećava, vrtložna struja također se povećava uzrokujući zagrijavanje materijala i povećanje impedancije zavojnice, što dovodi do daljnjih gubitaka kod uključivanja.
Feritne jezgre, zbog svoje velike magnetske propusnosti, mogu učinkovitije raditi s višim frekvencijama, zbog nižih vrtložnih struja i manjih gubitaka pri prebacivanju.
Sad možda mislite, zašto ne biste koristili niže frekvencije jer bi to obratno pomoglo u smanjenju vrtložnih struja? Čini se valjanim, međutim, niža frekvencija također bi značila povećanje broja zavoja za isti transformator.
Budući da veće frekvencije omogućuju proporcionalno manji broj zavoja, rezultat je da je transformator manji, lakši i jeftiniji. Zbog toga SMPS koristi visoku frekvenciju.
Topologija pretvarača
U pretvaračima s preklopnim načinom rada obično izlaze dvije vrste topologije: push-pull i Puni most . Izvlačenje koristi središnju slavinu za primarni namot, dok se puni most sastoji od jednog namota i za primarni i za sekundarni.
Zapravo su obje topologije push-pull prirode. U oba oblika namotaj se primjenjuje MOSFET-ovima s neprekidnim prebacivanjem izmjenične struje unatrag prema naprijed, oscilirajući na navedenoj visokoj frekvenciji, imitirajući push-pull akciju.
Jedina temeljna razlika između njih dvije je što primarna strana transformatora sa središnjom slavinom ima 2 puta veći broj zavoja od transformatora s punim mostom.
Kako izračunati transformator pretvarača feritne jezgre
Izračun feritnog transformatora zapravo je vrlo jednostavan ako imate sve navedene parametre u ruci.
Radi jednostavnosti, pokušat ćemo riješiti formulu kroz postavljeni primjer, recimo za transformator od 250 vata.
Izvor napajanja bit će baterija od 12 V. Frekvencija prebacivanja transformatora bit će 50 kHz, tipična brojka kod većine SMPS pretvarača. Pretpostavit ćemo da je izlaz 310 V, što je obično vršna vrijednost 220 V RMS.
Ovdje će 310 V biti nakon ispravljanja putem brzog oporavka ispravljač mosta i LC filtri. Jezgro odabiremo kao ETD39.
Kao što svi znamo, kada a 12 V baterija koristi se, napon nikada nije konstantan. Pri punom punjenju vrijednost je oko 13 V, što se smanjuje kako troši struja pretvarač, dok se napokon baterija ne isprazni na najnižu granicu, koja je obično 10,5 V. Dakle, za naše izračune uzet ćemo 10,5 V kao vrijednost napajanja za V za (min).
Primarni okreti
Standardna formula za izračunavanje primarnog broja zavoja dana je u nastavku:
N (prvi)= V u (imenica)x 108/ 4 x f x B maksx DO c
Ovdje N (prvi)odnosi se na primarne brojeve okreta. Budući da smo u našem primjeru odabrali topologiju potiskivanja sa središnjim dodirom, dobiveni rezultat bit će polovica ukupnog broja potrebnih zavoja.
- Vino (prezime)= Prosječni ulazni napon. Budući da je naš prosječni napon baterije 12V, uzmimo Vino (prezime)= 12.
- f = 50 kHz ili 50 000 Hz. Odabrana je preferirana frekvencija prebacivanja.
- B maks= Maksimalna gustoća protoka u Gaussu. U ovom ćemo primjeru pretpostaviti B maksbiti u rasponu od 1300G do 2000G. Ovo je standardna vrijednost većine jezgri transformatora na bazi ferita. U ovom primjeru, zaustavimo se na 1500G. Tako jesmo B maks= 1500. Veće vrijednosti od B maksse ne preporučuje jer to može dovesti do toga da transformator dosegne točku zasićenja. Suprotno tome, niže vrijednosti B maksmože rezultirati neiskorištenjem jezgre.
- DOc= Efektivna površina presjeka u cmdva. Ovi se podaci mogu prikupiti iz listova podataka feritnih jezgri . Možete pronaći i Acbiti predstavljen kao Aje. Za odabrani broj jezgre ETD39, efektivna površina presjeka navedena u listu s podacima iznosi 125 mmdva. To je jednako 1,25 cmdva. Stoga imamo, Ac= 1,25 za ETD39.
Gornje slike daju nam vrijednosti za sve parametre potrebne za izračunavanje primarnih zavoja našeg SMPS pretvarača pretvarača. Stoga, zamjenjujući odgovarajuće vrijednosti u gornjoj formuli, dobivamo:
N (prvi)= V u (imenica)x 108/ 4 x f x B maksx DO c
N (prvi)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1.2
N (prvi)= 3,2
Budući da je 3.2 razlomljena vrijednost i može biti teško primijeniti u praksi, zaokružit ćemo na 3 zavoja. Međutim, prije finaliziranja ove vrijednosti, moramo istražiti je li vrijednost B maksje i dalje kompatibilan i unutar prihvatljivog raspona za ovu novu zaokruženu vrijednost 3.
Jer, smanjenje broja zavoja prouzročit će proporcionalni porast B maks, stoga postaje imperativ provjeriti je li povećana B maksje i dalje unutar prihvatljivog raspona za naša 3 primarna zavoja.
Provjera brojača B makszamjenom sljedećih postojećih vrijednosti dobivamo:
Vino (prezime)= 12, f = 50000, N na= 3, DO c= 1,25
B maks= V u (imenica)x 108/ 4 x f x N (prvi)x DO c
B maks= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B maks= 1600
Kao što se vidi novo B maksvrijednost za N (na)= 3 zavoja izgleda u redu i nalazi se unutar prihvatljivog raspona. To također podrazumijeva da, ako vam se bilo kada želi manipulirati brojem N (prvi)okreće, morate biti sigurni da je u skladu s odgovarajućim novim B maksvrijednost.
Suprotno tome, možda je moguće prvo odrediti B maksza željeni broj primarnih zavoja, a zatim prilagodite broj zavoja na ovu vrijednost prikladnom modifikacijom ostalih varijabli u formuli.
Sekundarni okreti
Sada znamo kako izračunati primarnu stranu feritnog SMPS pretvarača pretvarača, vrijeme je da pogledamo drugu stranu, koja je sekundarna strana transformatora.
Budući da vršna vrijednost mora biti 310 V za sekundarnu, htjeli bismo da se vrijednost održi za čitav raspon napona akumulatora počevši od 13 V do 10,5 V.
Nema sumnje da ćemo morati zaposliti sustav povratnih informacija za održavanje konstantne razine izlaznog napona, za suzbijanje niskog napona baterije ili rastućih varijacija struje opterećenja.
Ali za to mora postojati neka gornja margina ili prostor za glavu za olakšavanje ove automatske kontrole. Granica od +20 V izgleda dovoljno dobro, stoga maksimalni izlazni napon odabiremo kao 310 + 20 = 330 V.
To također znači da transformator mora biti projektiran tako da daje 310 V pri najmanjem naponu akumulatora od 10,5.
Za kontrolu povratne sprege obično koristimo samopodešavajući PWM krug, koji širi širinu impulsa za vrijeme niskog ili velikog opterećenja i proporcionalno ga sužava tijekom praznog hoda ili u optimalnim uvjetima baterije.
To znači, na stanje slabe baterije PWM se mora automatski prilagoditi maksimalnom radnom ciklusu, kako bi se održao propisani izlaz na 310 V. Može se pretpostaviti da je ovaj maksimalni PWM 98% ukupnog radnog ciklusa.
Razmak od 2% ostaje za mrtvo vrijeme. Mrtvo vrijeme je nulti napon jaz između svake frekvencije poluciklusa, tijekom kojeg MOSFET-ovi ili određeni uređaji za napajanje ostaju potpuno isključeni. To osigurava zajamčenu sigurnost i sprječava probijanje kroz MOSFET-ove tijekom prijelaznih razdoblja ciklusa push pull.
Stoga će ulazna opskrba biti minimalna kada napon akumulatora dosegne najnižu razinu, to jest kada V u= V za (min)= 10,5 V. Zbog toga će radni ciklus biti maksimalnih 98%.
Gornji podaci mogu se koristiti za izračunavanje prosječnog napona (istosmjerno efektivno efektivno stanje) potrebnog za primarnu stranu transformatora da generira 310 V na sekundaru, kada je baterija minimalna 10,5 V. Za to množimo 98% s 10,5, kao prikazano ispod:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, ovo bi trebao biti naziv napona koji bi trebao imati primarni transformator.
Sada znamo maksimalni sekundarni napon koji iznosi 330 V, a također znamo i primarni napon koji je 10,29 V. To nam omogućuje da dobijemo omjer dviju stranica kao: 330: 10,29 = 32,1.
Budući da je omjer napona 32,1, omjer okretaja također treba biti u istom formatu.
Značenje, x: 3 = 32,1, gdje je x = sekundarni zavoj, 3 = primarni zavoj.
Rješavajući ovo, možemo brzo dobiti sekundarni broj zavoja
Stoga je sekundarni zavoj = 96,3.
Slika 96.3 je broj sekundarnih zavoja koji su nam potrebni za predloženi transformator feritnog pretvarača koji dizajniramo. Kao što je ranije rečeno, budući da je frakcijske doline teško praktično implementirati, zaokružujemo ih na 96 zavoja.
Ovim smo završili naše izračune i nadam se da su svi čitatelji ovdje morali shvatiti kako jednostavno izračunati feritni transformator za određeni SMPS krug pretvarača.
Izračunavanje pomoćnog namotaja
Pomoćni namot je dodatni namot koji korisnik može zatražiti za neku vanjsku implementaciju.
Recimo, zajedno s 330 V na sekundaru, trebate još jedan namot za dobivanje 33 V za LED svjetiljku. Prvo izračunavamo sekundarni: pomoćni omjer okreta s obzirom na nominalnu vrijednost sekundarnog namota. Formula je:
NDO= Vsek/ (Vprema+ Vd)
NDO= sekundarno: pomoćni omjer, Vsek= Sekundarno regulirani ispravljeni napon, Vprema= pomoćni napon, Vd= Vrijednost pada diode ispravljača za diodu ispravljača. Budući da nam ovdje treba dioda velike brzine, koristit ćemo Schottky ispravljač s Vd= 0,5V
Rješavanje nam daje:
NDO= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, zaokružimo na 9.
Izvedimo sada broj zavoja potrebnih za pomoćni namot, dobivamo to primjenom formule:
Nprema= Nsek/ NDO
Gdje je Nprema= pomoćni zavoji, Nsek= sekundarni zavoji, NDO= pomoćni omjer.
Iz naših prethodnih rezultata imamo Nsek= 96, i NDO= 9, zamjenjujući ih u gornjoj formuli dobivamo:
Nprema= 96/9 = 10,66, zaokruživanje nam daje 11 okretaja. Dakle, za dobivanje 33 V trebat će nam 11 okretaja na sekundarnoj strani.
Tako na ovaj način možete dimenzionirati pomoćni namot prema vlastitim željama.
Završavati
U ovom postu naučili smo kako izračunati i dizajnirati pretvarače na bazi feritne jezgre, koristeći sljedeće korake:
- Izračunajte primarne zavoje
- Izračunajte sekundarne zavoje
- Odredite i potvrdite B maks
- Odredite maksimalni sekundarni napon za kontrolu povratne veze PWM
- Pronađite primarni omjer sekundarnog zavoja
- Izračunajte sekundarni broj zavoja
- Izračunajte pomoćne zavoje namota
Koristeći gore spomenute formule i izračune, zainteresirani korisnik može lako dizajnirati prilagođeni pretvarač zasnovan na feritnoj jezgri za SMPS primjenu.
Za pitanja i nedoumice slobodno upotrijebite polje za komentare u nastavku, pokušat ću riješiti najranije
Prethodno: Vrste Arduino ploča sa specifikacijama Dalje: Objašnjeni digitalno-analogni (DAC), analogno-digitalni (ADC) pretvarači
