Како израчунати трансформаторе феритних језгара

Израчунавање феритног трансформатора је поступак у којем инжењери процењују различите спецификације намотаја и димензије језгра трансформатора, користећи ферит као основни материјал. То им помаже да створе савршено оптимизован трансформатор за дату апликацију.

Пост представља детаљно објашњење о томе како израчунати и дизајнирати прилагођене феритне трансформаторе. Садржај је лако разумљив и може бити врло користан за инжењере који се баве овом облашћу уређаји на струју , и производња СМПС претварача.

Зашто се феритно језгро користи у високофреквентним претварачима

Можда сте се често питали који је разлог коришћења феритних језгара у свим модерним напајањима у режиму прекидача или СМПС претварачима. Тачно, постићи ћемо већу ефикасност и компактност у поређењу са изворима гвозденог језгра, али било би занимљиво знати како нам феритне језгре омогућавају постизање овог високог степена ефикасности и компактности?

То је зато што је у трансформатори од гвозденог језгра, материјал гвожђа има много слабију магнетну пропустљивост од феритног материјала. Насупрот томе, феритна језгра поседују врло високу магнетну пропустљивост.

Значи, када је подвргнут магнетном пољу, феритни материјал може постићи врло висок степен магнетизације, бољи од свих осталих облика магнетног материјала.

Већа магнетна пермеабилност значи, мању количину вртложне струје и мање прекидачке губитке. Магнетни материјал обично има тенденцију да ствара вртложну струју као одговор на растућу магнетну фреквенцију.

Како се фреквенција повећава, тако се и вртложна струја повећава, узрокујући загревање материјала и повећање импедансе калема, што доводи до даљег прекидачког губитка.

Феритна језгра су због своје велике магнетне пропустљивости способнија да ефикасније раде са вишим фреквенцијама, због нижих вртложних струја и мањих губитака при преклапању.

Сада можете помислити, зашто не бисте користили ниже фреквенције, јер би то обратно помогло у смањењу вртложних струја? Чини се валидним, међутим, нижа фреквенција би такође значила повећање броја завоја за исти трансформатор.

Будући да веће фреквенције омогућавају сразмерно мањи број окретаја, резултат је да је трансформатор мањи, лакши и јефтинији. Због тога СМПС користи високу фреквенцију.

Топологија претварача

У претварачима у режиму прекидача обично излазе два типа топологије: пусх-пулл и Пун мост . Извлачење користи средишњу славину за примарни намотај, док се пуни мост састоји од једног намотаја и за примарни и за секундарни.

Заправо, обе топологије су пусх-пулл природе. У оба облика намотај се МОСФЕТ-овима непрекидно пребацује наизменичном наизменичном струјом, осцилирајући на наведеној високој фреквенцији, имитирајући пусх-пулл акцију.

Једина основна разлика између њих је да примарна страна централног трансформатора са славином има 2 пута већи број завоја од трансформатора са пуним мостом.

Како израчунати трансформатор претварача феритног језгра

Израчун феритног трансформатора у основи је врло једноставан ако имате све наведене параметре у руци.

Ради једноставности, покушаћемо да решимо формулу кроз пример постављен, рецимо за трансформатор од 250 вати.

Извор напајања биће батерија од 12 В. Фреквенција пребацивања трансформатора биће 50 кХз, типична бројка код већине СМПС претварача. Претпоставићемо да је излаз 310 В, што је обично вршна вредност ефективног ефективног напона од 220 В.

Овде ће 310 В бити након исправљања путем брзог опоравка мостни исправљач , и ЛЦ филтери. Одабрали смо језгро као ЕТД39.

Као што сви знамо, када а 12 В батерија користи се, његов напон никада није константан. При пуном пуњењу вредност је око 13 В, што се смањује како троши струју претварач, док се напокон батерија не испразни на најнижу границу, која је обично 10,5 В. Дакле, за наше прорачуне узећемо у обзир 10,5 В као вредност напајања за В. _{за (мин)}.

Примарни окрети

Стандардна формула за израчунавање примарног броја завоја дата је у наставку:

Н. _(први)= В. _{ин (ноун)}к 10⁸/ 4 к ф Икс Б. _максИкс ДО _ц

Ево Н. _(први)односи се на примарне бројеве окрета. Будући да смо у нашем примеру изабрали топологију потискивања са централним додиром, добијени резултат ће бити половина укупног броја потребних завоја.

• Вино _{(презиме)}= Просечни улазни напон. Пошто је наш просечни напон батерије 12В, узмимо Вино _{(презиме)}= 12.
• ф = 50 кХз или 50 000 Хз. То је пожељна фреквенција пребацивања, коју смо одабрали.
• Б. _макс= Максимална густина флукса у Гаусс-у. У овом примеру ћемо претпоставити Б. _максда буде у опсегу од 1300Г до 2000Г. Ово је стандардна вредност већине језгара трансформатора заснованих на фериту. У овом примеру, зауставимо се на 1500Г. Дакле имамо Б. _макс= 1500. Веће вредности од Б. _макссе не препоручује јер то може довести до тога да трансформатор достигне тачку засићења. Супротно томе, ниже вредности Б. _максможе резултирати недовољном употребом језгра.
• ДО_ц= Ефективна површина попречног пресека у цм^два. Ове информације се могу прикупљати из техничких листова феритних језгара . Такође можете наћи А._цпредстављајући се као А._је. За изабрани број језгра ЕТД39, ефективна површина попречног пресека дата у листу са подацима износи 125 мм^два. То је једнако 1,25 цм^два. Стога имамо, А._ц= 1,25 за ЕТД39.

Горње слике дају нам вредности за све параметре потребне за израчунавање примарних завоја нашег СМПС претварача претварача. Према томе, заменом одговарајућих вредности у горњој формули добијамо:

Н. _(први)= В. _{ин (ноун)}к 10⁸/ 4 к ф Икс Б. _максИкс ДО _ц

Н. _(први)= 12 к 10⁸/ 4 к 50000 к 1500 к 1.2

Н. _(први)= 3.2

Будући да је 3.2 разломљена вредност и може бити тешко практично применити, заокружићемо је на 3 окрета. Међутим, пре финализације ове вредности, морамо да истражимо да ли је вредност Б. _максје и даље компатибилан и унутар прихватљивог опсега за ову нову заокружену вредност 3.

Јер, смањење броја завоја проузроковаће пропорционални пораст Б. _макс, стога постаје неопходно проверити да ли је повећан Б. _максје и даље у прихватљивом опсегу за наша 3 примарна завоја

Провера бројача Б. _макссупституцијом следећих постојећих вредности добијамо:
Вино _{(презиме)}= 12, ф = 50000, Н. _у= 3, ДО _ц= 1,25

Б. _макс= В. _{ин (ноун)}к 10⁸/ 4 к ф Икс Н. _(први)Икс ДО _ц

Б. _макс= 12 к 10⁸/ 4 к 50000 к 3 к 1,25

Б. _макс= 1600

Као што се види ново Б. _максвредност за Н. _(у)= 3 окрета изгледа добро и налази се у прихватљивом опсегу. То такође подразумева да, ако вам се било када прохте манипулација бројем Н. _(први)окреће, морате бити сигурни да је у складу са одговарајућим новим Б. _максвредност.

Супротно томе, можда је могуће прво одредити Б. _максза жељени број примарних завоја, а затим подесите број завоја на ову вредност одговарајућом модификацијом осталих променљивих у формули.

Секундарни окрети

Сада знамо како да израчунамо примарну страну феритног СМПС претварача претварача, време је да погледамо и на другу страну, која је секундарна страна трансформатора.

Пошто вршна вредност мора бити 310 В за секундар, желели бисмо да се та вредност одржи за читав опсег напона акумулатора почевши од 13 В до 10,5 В.

Нема сумње да ћемо морати да запослимо систем повратних информација за одржавање константног нивоа излазног напона, за сузбијање ниског напона батерије или растућих варијација струје оптерећења.

Али за ово мора постојати нека горња маргина или простор за главу за олакшавање ове аутоматске контроле. Граница од +20 В изгледа довољно добро, стога максимални излазни напон одабиремо као 310 + 20 = 330 В.

То такође значи да трансформатор мора бити пројектован тако да даје 310 В при најмањем напону батерије 10,5.

За контролу повратне спреге обично користимо самоподешавајући ПВМ круг, који шири ширину импулса током слабе батерије или великог оптерећења и пропорционално га сужава током празног хода или у оптималним условима батерије.

То значи, на услови слабе батерије ПВМ се мора аутоматски прилагодити максималном радном циклусу, да би одржао предвиђени излаз од 310 В. Може се претпоставити да је овај максимални ПВМ 98% укупног радног циклуса.

Размак од 2% остаје за мртво време. Мртво време је нулти напон јаз између сваке фреквенције полуциклуса, током којег МОСФЕТ-ови или одређени уређаји за напајање остају потпуно искључени. Ово гарантује загарантовану сигурност и спречава пробијање кроз МОСФЕТ-ове током прелазних периода циклуса пусх пулл.

Стога ће улазно напајање бити минимално када напон акумулатора достигне свој најнижи ниво, то јест В. _у= В. _{за (мин)}= 10,5 В. Ово ће довести до тога да радни циклус буде максималних 98%.

Горњи подаци могу се користити за израчунавање просечног напона (једносмерног ефективног ефективног вредности) потребног за примарну страну трансформатора да генерише 310 В на секундару, када је батерија минимална 10,5 В. За то множимо 98% са 10,5, као приказано испод:

0,98 к 10,5 В = 10,29 В, ово би требало да има назив напона који би требало да има примарни трансформатор.

Сада знамо максимални секундарни напон од 330 В, а такође знамо и примарни напон од 10,29 В. То нам омогућава да добијемо однос две стране као: 330: 10,29 = 32,1.

Будући да је однос напона 32,1, однос окретаја такође треба да буде у истом формату.

Значење, к: 3 = 32,1, где је к = секундарни завој, 3 = примарни завој.

Решавајући ово можемо брзо добити секундарни број завоја

Стога је секундарни завој = 96,3.

Слика 96.3 је број секундарних завоја који су нам потребни за предложени трансформатор феритног претварача који дизајнирамо. Као што је раније речено, пошто је фракционе долине тешко практично применити, заокружујемо их на 96 завоја.

Овим смо завршили наше прорачуне и надам се да су сви читаоци овде морали да схвате како једноставно израчунати феритни трансформатор за одређено СМПС коло претварача.

Израчунавање помоћног намотаја

Помоћни намотај је додатни намотај који корисник може захтевати за неку спољну примену.

Рецимо, заједно са 330 В на секундару, потребан вам је још један намотај да бисте добили 33 В за ЛЕД лампу. Прво израчунавамо секундарни: помоћни однос обртаја у односу на секундарни намотај 310 В. Формула је:

Н._ДО= В_сек/ (В._до+ В_д)

Н._ДО= секундарни: помоћни однос, В._сек= Секундарно регулисани исправљени напон, В_до= помоћни напон, В_д= Вредност пада диоде за исправљачку диоду. Пошто нам је овде потребна диода велике брзине, користићемо Сцхоттки исправљач са В_д= 0,5В

Решавање тога даје нам:

Н._ДО= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, заокружимо на 9.

Изведимо сада број завоја потребних за помоћни намотај, добијамо ово применом формуле:

Н._до= Н_сек/ Н_ДО

Где Н._до= помоћни завоји, Н._сек= секундарни завоји, Н._ДО= помоћни однос.

Из наших претходних резултата имамо Н._сек= 96, и Н._ДО= 9, заменом ових у горњој формули добијамо:

Н._до= 96/9 = 10,66, заокруживање нам даје 11 окрета. Дакле, за добијање 33 В требат ће нам 11 окретаја на секундарној страни.

Дакле, на овај начин можете димензионисати помоћни намотај према сопственим жељама.

Окончање

У овом посту смо научили како израчунати и дизајнирати инвертерске трансформаторе засноване на феритном језгру, користећи следеће кораке:

• Израчунајте примарне завоје
• Израчунајте секундарне завоје
• Одредите и потврдите Б. _макс
• Одредите максимални секундарни напон за контролу повратне везе ПВМ
• Пронађите примарни однос секундарног окрета
• Израчунајте секундарни број завоја
• Израчунајте завоје помоћних намотаја

Користећи горе поменуте формуле и прорачуне, заинтересовани корисник може лако да дизајнира прилагођени претварач заснован на феритном језгру за СМПС апликацију.

За питања и недоумице, слободно користите поље за коментаре у наставку, покушаћу да решим најраније