Beregning av ferrittransformator er en prosess der ingeniører vurderer de forskjellige viklingsspesifikasjonene og kjernedimensjonen til transformatoren, og bruker ferritt som kjernemateriale. Dette hjelper dem med å lage en perfekt optimalisert transformator for en gitt applikasjon.
Innlegget presenterer en detaljert forklaring på hvordan man beregner og designer tilpassede ferrittkjerne-transformatorer. Innholdet er lett å forstå, og kan være veldig nyttig for ingeniører som driver med kraftelektronikk og produksjon av SMPS-omformere.
Hvorfor ferritkjerne brukes i høyfrekvensomformere
Du har kanskje ofte lurt på årsaken bak bruk av ferritkjerner i alle moderne strømforsyninger i brytermodus eller SMPS-omformere. Riktig, det er å oppnå høyere effektivitet og kompaktitet sammenlignet med jernkjerne strømforsyninger, men det ville være interessant å vite hvordan ferritkjerner tillater oss å oppnå denne høye graden av effektivitet og kompakthet?
Det er fordi i jernkjerne transformatorer, jernmaterialet har mye dårligere magnetisk permeabilitet enn ferrittmateriale. I motsetning til dette har ferrittkjerner meget høy magnetisk permeabilitet.
Betydning, når det utsettes for et magnetfelt, er ferrittmateriale i stand til å oppnå en veldig høy grad av magnetisering, bedre enn alle andre former for magnetisk materiale.
En høyere magnetisk permeabilitet betyr lavere mengde virvelstrøm og lavere koblingstap. Et magnetisk materiale har normalt en tendens til å generere virvelstrøm som svar på en stigende magnetisk frekvens.
Etter hvert som frekvensen økes, øker virvelstrømmen også og forårsaker oppvarming av materialet og økning i spiralimpedans, noe som fører til ytterligere koblingstap.
Ferritkjerner, på grunn av deres høye magnetiske permeabilitet, er i stand til å arbeide mer effektivt med høyere frekvenser på grunn av lavere virvelstrømmer og lavere koblingstap.
Nå tenker du kanskje, hvorfor ikke bruke lavere frekvens, da det omvendt vil bidra til å redusere virvelstrømmer? Det ser ut til å være gyldig, men lavere frekvens vil også bety å øke antall svinger for samme transformator.
Siden høyere frekvenser tillater forholdsmessig lavere antall svinger, resulterer det i at transformatoren blir mindre, lettere og billigere. Dette er grunnen til at SMPS bruker høy frekvens.
Inverter Topologi
I brytermodusomformere går det vanligvis ut to typer topologi: push-pull og Full bro . Push pull bruker et senterkran for primærviklingen, mens hele broen består av en enkelt vikling for både primær og sekundær.
Egentlig er begge topologiene push-pull i naturen. I begge former påføres viklingen med en kontinuerlig vekslende vekselstrøm bakover av MOSFETene, som svinger ved den spesifiserte høyfrekvensen, og imiterer en push-pull-handling.
Den eneste grunnleggende forskjellen mellom de to er at den primære siden av senterkrantransformatoren har to ganger mer antall svinger enn fullbrotransformatoren.
Hvordan beregne ferritkjerneomformertransformator
Å beregne en ferritkjerne-transformator er faktisk ganske enkel, hvis du har alle de angitte parametrene i hånden.
For enkelhets skyld vil vi prøve å løse formelen gjennom et eksempel satt opp, la oss si for en 250 watt transformator.
Strømkilden vil være et 12 V batteri. Frekvensen for å bytte transformatoren vil være 50 kHz, en typisk figur i de fleste SMPS-omformere. Vi antar at utgangen er 310 V, som vanligvis er toppverdien til en 220V RMS.
Her vil 310 V være etter utbedring gjennom rask gjenoppretting bro likeretter og LC-filtre. Vi velger kjernen som ETD39.
Som vi alle vet, når en 12 V batteri brukes, er spenningen aldri konstant. Ved full ladning er verdien rundt 13 V, som fortsetter å synke når omformerbelastningen bruker strøm, til slutt endes batteriet ut til den laveste grensen, som vanligvis er 10,5 V. Så for våre beregninger vil vi vurdere 10,5 V som forsyningsverdien for V om (min).
Primære svinger
Standardformelen for beregning av det primære antall svinger er gitt nedenfor:
N (først)= V i (substantiv)x 108/ 4 x f x B maksx TIL c
Her N (først)refererer til de primære svingnumrene. Siden vi har valgt en senterkran push pull-topologi i vårt eksempel, blir resultatet oppnådd halvparten av det totale antall svinger som kreves.
- Vin (etternavn)= Gjennomsnittlig inngangsspenning. Siden vår gjennomsnittlige batterispenning er 12V, la oss ta Vin (etternavn)= 12.
- f = 50 kHz, eller 50000 Hz. Det er den foretrukne byttefrekvensen, som valgt av oss.
- B maks= Maksimal flytdensitet i Gauss. I dette eksemplet vil vi anta B makså være i området 1300G til 2000G. Dette er standardverdien for de fleste ferrittbaserte transformatorkjerner. La oss i dette eksemplet slå oss ned på 1500G. Så det har vi gjort B maks= 1500. Høyere verdier av B maksanbefales ikke, da dette kan føre til at transformatoren når metningspunktet. Omvendt lavere verdier av B makskan føre til at kjernen blir underutnyttet.
- TILc= Effektivt tverrsnittsareal i cmto. Denne informasjonen kan samles inn fra databladene til ferrittkjernene . Du kan også finne Acblir presentert som Aer. For det valgte kjernetallet ETD39 er det effektive tverrsnittsarealet som er gitt i databladet 125 mmto. Det er lik 1,25 cmto. Derfor har vi, Ac= 1,25 for ETD39.
Ovennevnte figurer gir oss verdiene for alle parametrene som kreves for å beregne de primære svingene til vår SMPS inverter transformator. Derfor erstatter vi de respektive verdiene i formelen ovenfor:
N (først)= V i (substantiv)x 108/ 4 x f x B maksx TIL c
N (først)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (først)= 3,2
Siden 3.2 er en brøkdelverdi og kan være vanskelig å implementere praktisk, vil vi avrunde den til 3 svinger. Før vi fullfører denne verdien, må vi imidlertid undersøke om verdien av B makser fortsatt kompatibel og innenfor akseptabelt område for denne nye avrundede verdien 3.
Fordi å redusere antall svinger vil føre til en proporsjonal økning i B maksDerfor blir det viktig å sjekke om den økte B makser fortsatt innenfor akseptabelt område for de tre primære svingene våre.
Motkontroll B maksved å erstatte følgende eksisterende verdier vi får:
Vin (etternavn)= 12, f = 50000, N på= 3, TIL c= 1,25
B maks= V i (substantiv)x 108/ 4 x f x N (først)x TIL c
B maks= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B maks= 1600
Som kan sees det nye B maksverdi for N (på)= 3 svinger ser bra ut og ligger godt innenfor akseptabelt område. Dette innebærer også at, når som helst du har lyst til å manipulere antall N (først)svinger, må du sørge for at den samsvarer med den tilsvarende nye B maksverdi.
Motsatt kan det være mulig å først bestemme B maksfor et ønsket antall primære svinger, og juster deretter antall svinger til denne verdien ved å modifisere de andre variablene i formelen.
Sekundær sving
Nå vet vi hvordan vi skal beregne den primære siden av en ferrit SMPS-invertertransformator, det er på tide å se på den andre siden, det vil si sekundæren til transformatoren.
Siden toppverdien må være 310 V for sekundæren, vil vi at verdien skal opprettholdes for hele batterispenningsområdet fra 13 V til 10,5 V.
Vi må uten tvil ansette en tilbakemeldingssystem for å opprettholde et konstant utgangsspenningsnivå, for å motvirke lav batterispenning eller økende variasjoner i belastningsstrømmen.
Men for dette må det være litt øvre margin eller takhøyde for å lette denne automatiske kontrollen. En +20 V margin ser bra nok ut, derfor velger vi maksimal toppspenning for utgang som 310 + 20 = 330 V.
Dette betyr også at transformatoren må være konstruert for å gi ut 310 V ved laveste 10,5 batterispenning.
For tilbakemeldingskontroll bruker vi normalt en selvjusterende PWM-krets, som utvider pulsbredden under lavt batteri eller høy belastning, og innsnevrer den proporsjonalt uten belastning eller optimale batteriforhold.
Dette betyr, kl lave batteriforhold PWM må automatisk justeres til maksimal driftssyklus for å opprettholde den fastsatte 310 V utgangen. Dette maksimale PWM kan antas å være 98% av total driftssyklus.
Gapet på 2% er igjen for død tid. Død tid er null spenningsgapet mellom hver halvsyklusfrekvens, der MOSFETene eller de spesifikke kraftenhetene forblir helt avstengt. Dette sikrer garantert sikkerhet og forhindrer skyting gjennom MOSFETene i overgangsperioden for push pull-syklusene.
Derfor vil inngangsforsyningen være minimal når batterispenningen når sitt minimumsnivå, det er da V i= V om (min)= 10,5 V. Dette vil bevirke at driftssyklusen er på maksimalt 98%.
Ovennevnte data kan brukes til å beregne den gjennomsnittlige spenningen (DC RMS) som kreves for den primære siden av transformatoren for å generere 310 V ved sekundæren, når batteriet er på minimum 10,5 V. For dette multipliserer vi 98% med 10,5, som Vist under:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, dette er spenningsgraden som transformatorens primær skal ha.
Nå vet vi den maksimale sekundære spenningen som er 330 V, og vi kjenner også den primære spenningen som er 10,29 V. Dette gjør at vi kan få forholdet mellom de to sidene som: 330: 10.29 = 32.1.
Siden forholdet mellom spenningsverdiene er 32,1, bør svingforholdet også være i samme format.
Betydning, x: 3 = 32,1, der x = sekundære svinger, 3 = primære svinger.
Å løse dette kan vi raskt få sekundært antall svinger
Derfor er sekundære svinger = 96,3.
Figur 96.3 er antall sekundære svinger vi trenger for den foreslåtte ferrittomformertransformatoren vi designer. Som nevnt tidligere siden fraksjonelle ventiler er vanskelige å implementere praktisk talt, avrunder vi den til 96 omdreininger.
Dette avslutter beregningene våre, og jeg håper alle leserne her må ha innsett hvordan man bare skal beregne en ferrittransformator for en spesifikk SMPS-inverterkrets.
Beregning av hjelpevikling
En ekstra vikling er en ekstra vikling som en bruker kan kreve for noen ekstern implementering.
La oss si, sammen med 330 V på sekundæren, trenger du en annen vikling for å få 33 V for en LED-lampe. Vi beregner først sekundær: hjelpestøtte svingforhold i forhold til sekundærviklingen 310 V. Formelen er:
NTIL= Vsek/ (Vtil+ Vd)
NTIL= sekundær: hjelpeforhold, Vsek= Sekundærregulert rettet spenning, Vtil= hjelpespenning, Vd= Diode fremover fallverdi for likeretterdioden. Siden vi trenger en høyhastighetsdiode her, vil vi bruke en schottky-likeretter med en Vd= 0,5V
Å løse det gir oss:
NTIL= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, la oss avrunde det til 9.
La oss nå utlede antall svinger som kreves for hjelpeviklingen, vi får dette ved å bruke formelen:
Ntil= Nsek/ NTIL
Hvor Ntil= hjelpesving, Nsek= sekundære svinger, NTIL= hjelpeforhold.
Fra våre tidligere resultater har vi Nsek= 96, og NTIL= 9, og erstatter disse i formelen ovenfor får vi:
Ntil= 96/9 = 10,66, avrunding gir oss 11 svinger. Så for å få 33 V trenger vi 11 svinger på sekundærsiden.
Så på denne måten kan du dimensjonere en hjelpevikling i henhold til din egen preferanse.
Innpakning
I dette innlegget lærte vi å beregne og designe ferritkjernebaserte omformertransformatorer ved å bruke følgende trinn:
- Beregn primære svinger
- Beregn sekundære svinger
- Bestem og bekreft B maks
- Bestem maksimal sekundær spenning for PWM tilbakemeldingskontroll
- Finn primær sekundær svingforhold
- Beregn sekundært antall omdreininger
- Beregn hjelpeviklingssving
Ved å bruke de ovennevnte formlene og beregningene kan en interessert bruker enkelt designe en tilpasset ferritkjernebasert inverter for SMPS-applikasjon.
For spørsmål og tvil, vær så snill å bruke kommentarfeltet nedenfor, jeg prøver å løse det så snart som mulig
Forrige: Typer Arduino-brett med spesifikasjoner Neste: Digital-til-analog (DAC), Analog-til-digital (ADC) -omformere forklart
