Výpočet feritového transformátora je proces, pri ktorom inžinieri hodnotia rôzne špecifikácie vinutia a rozmer jadra transformátora, pričom ako materiál jadra používajú ferit. To im pomáha vytvoriť dokonale optimalizovaný transformátor pre danú aplikáciu.
Príspevok predstavuje podrobné vysvetlenie týkajúce sa výpočtu a návrhu prispôsobených transformátorov s feritovým jadrom. Obsah je ľahko pochopiteľný a môže byť veľmi užitočný pre technikov pôsobiacich v oblasti výkonová elektronika a výroba invertorov SMPS.
Prečo sa vo vysokofrekvenčných prevodníkoch používa feritové jadro
Možno by vás niekedy zaujímalo, prečo je dôvod používať feritové jadrá vo všetkých moderných zdrojoch napájania v režime prepínania alebo v prevodníkoch SMPS. Je to tak, dosiahnuť vyššiu účinnosť a kompaktnosť v porovnaní s napájacími zdrojmi so železným jadrom, ale bolo by zaujímavé vedieť, ako nám feritové jadrá umožňujú dosiahnuť tento vysoký stupeň účinnosti a kompaktnosti?
Je to preto, lebo v transformátory so železným jadrom, železný materiál má omnoho horšiu magnetickú permeabilitu ako feritový materiál. Naopak feritové jadrá majú veľmi vysokú magnetickú permeabilitu.
To znamená, že keď je feritový materiál vystavený magnetickému poľu, je schopný dosiahnuť veľmi vysoký stupeň magnetizácie, lepšie ako všetky ostatné formy magnetického materiálu.
Vyššia magnetická permeabilita znamená, menšie množstvo vírivých prúdov a nižšie spínacie straty. Magnetický materiál má obvykle tendenciu vytvárať vírivý prúd v reakcii na zvyšujúcu sa magnetickú frekvenciu.
So zvyšujúcou sa frekvenciou sa zvyšuje aj vírivý prúd, ktorý spôsobuje zahrievanie materiálu a zvyšuje impedanciu cievky, čo vedie k ďalším stratám pri spínaní.
Feritové jadrá sú vďaka svojej vysokej magnetickej permeabilite schopné efektívnejšie pracovať s vyššími frekvenciami kvôli nižším vírivým prúdom a menším spínacím stratám.
Teraz si možno myslíte, prečo nevyužiť nižšiu frekvenciu, pretože by to naopak pomohlo znížiť vírivé prúdy? Zdá sa, že je to platné, ale nižšia frekvencia by tiež znamenala zvýšenie počtu závitov pre ten istý transformátor.
Pretože vyššie frekvencie umožňujú proporcionálne nižší počet závitov, výsledkom je menší, ľahší a lacnejší transformátor. To je dôvod, prečo SMPS používa vysokú frekvenciu.
Topológia invertora
V striedavých spínacích režimoch zvyčajne existujú dva typy topológie: push-pull a Plný most . Push push pull využíva stredový kohútik pre primárne vinutie, zatiaľ čo plný mostík pozostáva z jedného vinutia pre primárne aj sekundárne.
Obe topológie majú v skutočnosti charakter push-pull. V obidvoch formách je vinutie aplikované kontinuálne prepínajúcim sa striedavým prúdom dozadu-dopredu MOSFETmi, kmitajúcimi pri špecifikovanej vysokej frekvencii, napodobňujúcej akciu push-pull.
Jediným zásadným rozdielom medzi nimi je, že primárna strana transformátora so stredným odbočením má dvakrát väčší počet závitov ako transformátor s úplným mostom.
Ako vypočítať transformátor s feritovým jadrom
Výpočet transformátora s feritovým jadrom je v skutočnosti celkom jednoduchý, ak máte v ruke všetky uvedené parametre.
Pre jednoduchosť sa pokúsime vyriešiť vzorec pomocou príkladu, ktorý je nastavený, napríklad pre 250 wattový transformátor.
Zdrojom energie bude 12 V batéria. Frekvencia prepínania transformátora bude 50 kHz, čo je typický údaj vo väčšine invertorov SMPS. Budeme predpokladať, že výstup bude 310 V, čo je zvyčajne maximálna hodnota 220 V RMS.
Tu bude 310 V po náprave rýchlym zotavením mostový usmerňovač a LC filtre. Jadro sme vybrali ako ETD39.
Ako všetci vieme, keď a 12 V batéria sa používa, jeho napätie nie je nikdy konštantné. Pri plnom nabití je hodnota okolo 13 V, čo neustále klesá, keď záťaž invertora spotrebováva energiu, až sa nakoniec batéria vybije na svoju najnižšiu hranicu, ktorá je zvyčajne 10,5 V. Takže pre naše výpočty budeme považovať 10,5 V za hodnotu napájania pre V. o (min).
Primárne zákruty
Štandardný vzorec na výpočet primárneho počtu závitov je uvedený nižšie:
N (najprv)= V. in (podstatné meno)x 108/ 4 x f X B maxX TO c
Tu N (najprv)odkazuje na primárne čísla odbočení. Pretože sme v našom príklade vybrali topológiu push to pull so stredovým klepnutím, získaný výsledok bude polovica z celkového počtu požadovaných závitov.
- Víno (priezvisko)= Priemerné vstupné napätie. Pretože naše priemerné napätie batérie je 12V, poďme Víno (priezvisko)= 12.
- f = 50 kHz alebo 50 000 Hz. Je to preferovaná spínacia frekvencia, ktorú sme vybrali.
- B max= Maximálna hustota toku v Gauss. V tomto príklade budeme predpokladať B maxbyť v rozmedzí od 1300G do 2000G. Toto je štandardná hodnota väčšiny feritových jadier transformátorov. V tomto príklade sa dohodnime na 1 500 G. Takže máme B max= 1500. Vyššie hodnoty B maxsa neodporúča, pretože to môže viesť k tomu, že transformátor dosiahne bod nasýtenia. Naopak, nižšie hodnoty B maxmôže mať za následok nedostatočné využitie jadra.
- TOc= Efektívna prierezová plocha v cmdva. Tieto informácie je možné zhromaždiť z údajových listov feritových jadier . Môžete tiež nájsť Acprezentované ako Aje. Pre vybrané číslo jadra ETD39 je efektívna plocha prierezu uvedená v liste s technickými údajmi 125 mmdva. To sa rovná 1,25 cmdva. Preto máme, Ac= 1,25 pre ETD39.
Vyššie uvedené obrázky nám dávajú hodnoty všetkých parametrov potrebných na výpočet primárnych závitov nášho invertorového transformátora SMPS. Nahradením príslušných hodnôt vo vyššie uvedenom vzorci teda dostaneme:
N (najprv)= V. in (podstatné meno)x 108/ 4 x f X B maxX TO c
N (najprv)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (najprv)= 3.2
Pretože 3,2 je zlomková hodnota a môže byť ťažké ho prakticky implementovať, zaokrúhlime ho na 3 otáčky. Pred finalizáciou tejto hodnoty však musíme preskúmať, či je alebo nie je hodnota B maxje stále kompatibilný a v prijateľnom rozmedzí pre túto novú zaokrúhlenú hodnotu 3.
Pretože zníženie počtu závitov spôsobí úmerné zvýšenie hodnoty B max, preto je nevyhnutné skontrolovať, či sa zvýšila B maxje stále v prijateľnom rozmedzí pre naše 3 primárne zákruty.
Kontrola počítadla B maxdosadením nasledujúcich existujúcich hodnôt dostaneme:
Víno (priezvisko)= 12, f = 50000, N o= 3, TO c= 1,25
B max= V. in (podstatné meno)x 108/ 4 x f X N (najprv)X TO c
B max= 12 x 108/ 4 x 50 000 x 3 x 1,25
B max= 1600
Ako vidno nové B maxhodnota pre N (zavináč)= 3 otáčky vyzerajú dobre a sú v prijateľnom rozmedzí. To tiež znamená, že ak máte kedykoľvek chuť manipulovať s počtom N (najprv)zákruty, musíte sa ubezpečiť, že je v súlade s príslušnou novou B maxhodnotu.
Na druhej strane je možné najskôr určiť B maxpre požadovaný počet primárnych závitov a potom upravte počet závitov na túto hodnotu vhodnou úpravou ostatných premenných vo vzorci.
Sekundárne zákruty
Teraz vieme, ako vypočítať primárnu stranu feritového invertora transformátora SMPS, je čas pozrieť sa na druhú stranu, ktorá je sekundárnou časťou transformátora.
Pretože špičková hodnota musí byť 310 V pre sekundárny zdroj, chceli by sme, aby sa hodnota udržala pre celý rozsah napätia batérie začínajúci od 13 V do 10,5 V.
Niet pochýb o tom, že budeme musieť zamestnať a systém spätnej väzby na udržiavanie konštantnej úrovne výstupného napätia, na potlačenie nízkeho napätia batérie alebo stúpajúcich zmien prúdového zaťaženia.
Na to však musí byť nejaká horná hranica alebo svetlá výška pre uľahčenie tohto automatického riadenia. Rozpätie +20 V vyzerá dosť dobre, preto volíme maximálne výstupné špičkové napätie 310 + 20 = 330 V.
To tiež znamená, že transformátor musí byť navrhnutý na výstup 310 V s najnižším napätím batérie 10,5.
Na riadenie spätnej väzby bežne používame samonastavovací obvod PWM, ktorý rozširuje šírku impulzu pri nízkom stave batérie alebo pri vysokom zaťažení a proporcionálne ju zužuje počas stavu bez zaťaženia alebo optimálnych podmienok batérie.
To znamená, na vybité batérie PWM sa musí automaticky nastaviť na maximálny pracovný cyklus, aby sa udržal požadovaný výkon 310 V. Možno predpokladať, že toto maximum PWM predstavuje 98% celkového pracovného cyklu.
2% rozdiel zostáva do mŕtveho času. Mŕtvy čas je medzera nulového napätia medzi každou frekvenciou pol cyklu, počas ktorej zostávajú MOSFETy alebo konkrétne napájacie zariadenia úplne vypnuté. To zaisťuje zaručenú bezpečnosť a zabraňuje strieľaniu cez MOSFETy počas prechodných období cyklov push-pull.
Preto bude vstupné napájanie minimálne, keď napätie batérie dosiahne minimálnu úroveň, tj V. v= V. o (min)= 10,5 V. Toto spôsobí, že pracovný cyklus bude na maximálnej hodnote 98%.
Vyššie uvedené údaje je možné použiť na výpočet priemerného napätia (DC RMS) požadovaného pre primárnu stranu transformátora na generovanie 310 V na sekundárnom napájaní, keď je batéria minimálne 10,5 V. Z tohto dôvodu vynásobíme 98% s 10,5, ako zobrazené nižšie:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, toto má byť napätie, ktoré má mať náš primárny transformátor.
Teraz poznáme maximálne sekundárne napätie, ktoré je 330 V, a taktiež známe primárne napätie, ktoré je 10,29 V. Toto nám umožňuje získať pomer oboch strán ako: 330: 10,29 = 32,1.
Pretože pomer hodnot napätia je 32,1, mal by byť pomer otáčok tiež v rovnakom formáte.
Význam, x: 3 = 32,1, kde x = sekundárne zákruty, 3 = primárne zákruty.
Riešením tohto problému môžeme rýchlo získať sekundárny počet závitov
Preto sú sekundárne otáčky = 96,3.
Obrázok 96.3 je počet sekundárnych závitov, ktoré potrebujeme pre navrhovaný feritový invertorový transformátor, ktorý navrhujeme. Ako už bolo uvedené skôr, pretože frakčné údolia sa ťažko dajú prakticky implementovať, zaokrúhľujeme ich na 96 závitov.
Týmto sú naše výpočty ukončené a dúfam, že si tu všetci čitatelia uvedomili, ako jednoducho vypočítať feritový transformátor pre konkrétny obvod invertora SMPS.
Výpočet pomocného vinutia
Pomocné vinutie je doplnkové vinutie, ktoré môže užívateľ vyžadovať pri niektorých externých implementáciách.
Povedzme, že spolu s 330 V na sekundárnom okruhu potrebujete ďalšie vinutie na získanie 33 V pre LED žiarovku. Najprv vypočítame sekundárne: pomocné pomer otáčok vzhľadom na hodnotenie 310 V sekundárneho vinutia. Vzorec je:
NTO= Vsek/ (V.do+ Vd)
NTO= sekundárne: pomocný pomer, Vsek= Sekundárne regulované usmernené napätie, Vdo= pomocné napätie, Vd= Hodnota poklesu diódy vpred pre diódu usmerňovača. Pretože tu potrebujeme vysokorýchlostnú diódu, použijeme schottkyho usmerňovač s Vd= 0,5 V
Jeho riešenie nám dáva:
NTO= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, zaokrúhlime to na 9.
Teraz odvodíme počet závitov potrebných pre pomocné vinutie, dosiahneme ho použitím vzorca:
Ndo= Nsek/ NTO
Kde Ndo= pomocné otáčky, Nsek= sekundárne otáčky, NTO= pomocný pomer.
Z našich predchádzajúcich výsledkov máme Nsek= 96 a NTO= 9, ich nahradením vo vyššie uvedenom vzorci dostaneme:
Ndo= 96/9 = 10,66, zaokrúhlenie na nás vedie 11 zákrutami. Takže na získanie 33 V budeme potrebovať 11 závitov na sekundárnej strane.
Týmto spôsobom teda môžete dimenzovať pomocné vinutie podľa vlastných preferencií.
Balenie
V tomto príspevku sme sa naučili, ako vypočítať a navrhnúť invertorové transformátory na báze feritového jadra, a to pomocou nasledujúcich krokov:
- Vypočítajte primárne otáčky
- Vypočítajte sekundárne otáčky
- Určte a potvrďte B max
- Určte maximálne sekundárne napätie pre spätnoväzbovú reguláciu PWM
- Nájdite primárny pomer sekundárnych otáčok
- Vypočítajte sekundárny počet závitov
- Vypočítajte otáčky pomocného vinutia
Pomocou vyššie uvedených vzorcov a výpočtov môže zainteresovaný používateľ ľahko navrhnúť prispôsobený invertor na báze feritového jadra pre aplikáciu SMPS.
V prípade otázok a pochybností prosím použite pole pre komentár nižšie, pokúsim sa to vyriešiť najskôr
Dvojica: Typy dosiek Arduino so špecifikáciami Ďalej: Vysvetlenie digitálno-analógových (DAC), analógovo-digitálnych (ADC) prevodníkov
