Výpočet feritového transformátoru je proces, při kterém inženýři hodnotí různé specifikace vinutí a rozměr jádra transformátoru, přičemž jako materiál jádra používají ferit. To jim pomáhá vytvořit dokonale optimalizovaný transformátor pro danou aplikaci.
Příspěvek představuje podrobné vysvětlení týkající se výpočtu a návrhu přizpůsobených transformátorů s feritovým jádrem. Obsah je snadno srozumitelný a může být velmi užitečný pro inženýry působící v oboru výkonová elektronika a výroba střídačů SMPS.
Proč se ve vysokofrekvenčních převaděčích používá feritové jádro
Možná jste se často divili, proč je použití feritových jader ve všech moderních spínaných napájecích zdrojích nebo SMPS převaděčích. Správně, je to dosáhnout vyšší účinnosti a kompaktnosti ve srovnání se zdroji železa se železným jádrem, ale bylo by zajímavé vědět, jak nám feritová jádra umožňují dosáhnout tohoto vysokého stupně účinnosti a kompaktnosti?
Je to proto, že v transformátory se železným jádrem, železný materiál má mnohem nižší magnetickou permeabilitu než feritový materiál. Naproti tomu feritová jádra mají velmi vysokou magnetickou permeabilitu.
To znamená, že když je vystaven magnetickému poli, je feritový materiál schopen dosáhnout velmi vysokého stupně magnetizace, lepšího než všechny ostatní formy magnetického materiálu.
Vyšší magnetická permeabilita znamená, nižší množství vířivých proudů a nižší spínací ztráty. Magnetický materiál má obvykle tendenci generovat vířivý proud v reakci na rostoucí magnetickou frekvenci.
Jak se zvyšuje frekvence, zvyšuje se také vířivý proud, který způsobuje zahřívání materiálu a zvyšuje impedanci cívky, což vede k dalším ztrátám při spínání.
Feritová jádra jsou díky své vysoké magnetické permeabilitě schopna pracovat efektivněji s vyššími frekvencemi díky nižším vířivým proudům a nižším spínacím ztrátám.
Nyní si možná myslíte, proč nepoužívat nižší frekvenci, protože by to naopak pomohlo snížit vířivé proudy? Zdá se, že je to platné, ale nižší frekvence by také znamenala zvýšení počtu závitů pro stejný transformátor.
Protože vyšší frekvence umožňují proporcionálně nižší počet závitů, výsledkem je menší, lehčí a levnější transformátor. Proto SMPS používá vysokou frekvenci.
Topologie měniče
V měničích se spínacím režimem obvykle existují dva typy topologie: push-pull a Plný most . Push push využívá středový kohout pro primární vinutí, zatímco plný můstek se skládá z jediného vinutí pro primární i sekundární.
Ve skutečnosti má obě topologie povahu push-pull. V obou formách je vinutí aplikováno pomocí MOSFETů s kontinuálně se měnícím střídavým proudem vzad a dopředu, oscilovaným při stanovené vysoké frekvenci, napodobující akci push-pull.
Jediným zásadním rozdílem mezi nimi je, že primární strana transformátoru se středním odbočkem má dvakrát větší počet závitů než transformátor s plným můstkem.
Jak vypočítat transformátor s feritovým jádrem
Výpočet transformátoru s feritovým jádrem je ve skutečnosti docela jednoduchý, pokud máte v ruce všechny uvedené parametry.
Pro zjednodušení se pokusíme vyřešit vzorec pomocí příkladu nastavení, řekněme pro 250 wattový transformátor.
Zdrojem energie bude 12 V baterie. Frekvence pro přepínání transformátoru bude 50 kHz, což je typický údaj ve většině střídačů SMPS. Předpokládáme, že výstup bude 310 V, což je obvykle špičková hodnota 220 V RMS.
Zde bude 310 V po nápravě rychlým zotavením můstkový usměrňovač a LC filtry. Jádro jsme vybrali jako ETD39.
Jak všichni víme, když a 12 V baterie je použito, jeho napětí není nikdy konstantní. Při plném nabití je hodnota kolem 13 V, což stále klesá, protože zátěž střídače spotřebovává energii, až se baterie nakonec vybije na nejnižší hranici, která je obvykle 10,5 V. Takže pro naše výpočty budeme uvažovat 10,5 V jako hodnotu napájení pro PROTI za (min).
Primární zatáčky
Standardní vzorec pro výpočet primárního počtu závitů je uveden níže:
N (První)= PROTI in (podstatné jméno)x 108/ 4 x F X B maxX NA C
Tady N (První)odkazuje na primární čísla odboček. Jelikož jsme v našem příkladu vybrali topologii push to pull topologie na střed, získaný výsledek bude polovinou celkového požadovaného počtu závitů.
- Víno (příjmení)= Průměrné vstupní napětí. Protože naše průměrné napětí baterie je 12V, pojďme Víno (příjmení)= 12.
- F = 50 kHz nebo 50 000 Hz. Je to preferovaná spínací frekvence, kterou jsme vybrali.
- B max= Maximální hustota toku v Gauss. V tomto příkladu předpokládáme B maxbýt v rozmezí 1300G až 2000G. Toto je standardní hodnota většiny feritových jader transformátorů. V tomto příkladu se pojďme vyrovnat na 1500G. Takže máme B max= 1500. Vyšší hodnoty B maxse nedoporučuje, protože to může vést k tomu, že transformátor dosáhne bodu nasycení. Naopak nižší hodnoty B maxmůže mít za následek nedostatečné využití jádra.
- NAC= Efektivní plocha průřezu v cmdva. Tyto informace lze shromažďovat z datových listů feritových jader . Můžete také najít ACjsou prezentovány jako Aje. U vybraného čísla jádra ETD39 je efektivní plocha průřezu uvedená v datovém listu 125 mmdva. To se rovná 1,25 cmdva. Proto máme, AC= 1,25 pro ETD39.
Výše uvedená čísla nám dávají hodnoty všech parametrů potřebných pro výpočet primárních závitů našeho invertorového transformátoru SMPS. Nahrazením příslušných hodnot ve výše uvedeném vzorci tedy získáme:
N (První)= PROTI in (podstatné jméno)x 108/ 4 x F X B maxX NA C
N (První)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (První)= 3.2
Protože 3,2 je zlomková hodnota a může být obtížné ji prakticky implementovat, zaokrouhlíme ji na 3 zatáčky. Před dokončením této hodnoty však musíme zjistit, zda je či není hodnota B maxje stále kompatibilní a v přijatelném rozsahu pro tuto novou zaokrouhlenou hodnotu 3.
Protože snížení počtu otáček způsobí úměrné zvýšení hodnoty B max, proto je nutné zkontrolovat, zda se zvýšil B maxje stále v přijatelném rozsahu pro naše 3 primární zatáčky.
Kontrola počítadla B maxdosazením následujících existujících hodnot získáme:
Víno (příjmení)= 12, F = 50000, N v= 3, NA C= 1,25
B max= PROTI in (podstatné jméno)x 108/ 4 x F X N (První)X NA C
B max= 12 x 108/ 4 x 50 000 x 3 x 1,25
B max= 1600
Jak je vidět na novém B maxhodnota pro N (v)= 3 zatáčky vypadají dobře a jsou v přijatelném rozsahu. To také znamená, že pokud budete mít kdykoli chuť manipulovat s počtem N (První)zatáčky, musíte se ujistit, že odpovídá odpovídající nové B maxhodnota.
Naproti tomu je možné nejprve určit B maxpro požadovaný počet primárních závitů a poté upravte počet závitů na tuto hodnotu vhodnou úpravou ostatních proměnných ve vzorci.
Sekundární obraty
Nyní víme, jak vypočítat primární stranu feritového invertorového transformátoru SMPS, je čas podívat se na druhou stranu, která je sekundární od transformátoru.
Protože špičková hodnota musí být 310 V pro sekundární zdroj, chtěli bychom, aby se hodnota udržovala pro celý rozsah napětí baterie od 13 V do 10,5 V.
Nepochybně budeme muset zaměstnat a systém zpětné vazby pro udržování konstantní úrovně výstupního napětí, pro vyrovnávání nízkého napětí baterie nebo zvyšování kolísání zatěžovacího proudu
K tomu však musí existovat nějaký horní okraj nebo světlá výška pro usnadnění tohoto automatického ovládání. Rozpětí +20 V vypadá dostatečně dobře, proto volíme maximální výstupní špičkové napětí 310 + 20 = 330 V.
To také znamená, že transformátor musí být navržen pro výstup 310 V při nejnižším napětí baterie 10,5.
Pro řízení zpětné vazby běžně používáme samonastavovací obvod PWM, který rozšiřuje šířku pulzu při nízkém stavu baterie nebo vysokém zatížení a proporcionálně ji zužuje během stavu bez zatížení nebo za optimálních podmínek baterie.
To znamená, na vybité baterie PWM se musí automaticky přizpůsobit maximálnímu pracovnímu cyklu, aby byl zachován požadovaný výkon 310 V. Lze předpokládat, že toto maximální PWM je 98% celkového pracovního cyklu.
Na mrtvý čas zbývá 2% rozdíl. Mrtvý čas je mezera nulového napětí mezi každou frekvencí poloviny cyklu, během níž MOSFET nebo konkrétní napájecí zařízení zůstávají zcela vypnuty. Tím je zajištěna zaručená bezpečnost a brání střelbě přes MOSFETy během přechodných období cyklů push-pull.
Vstupní napájení bude proto minimální, když napětí baterie dosáhne minimální úrovně, tedy kdy PROTI v= PROTI za (min)= 10,5 V. To způsobí, že pracovní cyklus bude maximálně 98%.
Výše uvedená data mohou být použita pro výpočet průměrného napětí (DC RMS) požadovaného pro primární stranu transformátoru pro generování 310 V na sekundární, když je baterie minimálně 10,5 V. K tomu vynásobíme 98% s 10,5, protože je uvedeno níže:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, toto má být jmenovité napětí, které má mít náš primární transformátor.
Nyní známe maximální sekundární napětí, které je 330 V, a známe také primární napětí, které je 10,29 V. To nám umožňuje získat poměr obou stran jako: 330: 10,29 = 32,1.
Protože poměr jmenovitých napětí je 32,1, měl by být poměr otáčení také ve stejném formátu.
Význam, x: 3 = 32,1, kde x = sekundární otáčky, 3 = primární otáčky.
Když to vyřešíme, můžeme rychle získat sekundární počet tahů
Sekundární otáčky jsou tedy = 96,3.
Obrázek 96.3 je počet sekundárních závitů, které potřebujeme pro navrhovaný feritový invertorový transformátor, který navrhujeme. Jak již bylo uvedeno dříve, protože částečné útvary se obtížně realizují prakticky, zaokrouhlujeme to na 96 otáček.
Tím jsou naše výpočty uzavřeny a doufám, že si všichni čtenáři museli uvědomit, jak jednoduše vypočítat feritový transformátor pro konkrétní obvod střídače SMPS.
Výpočet pomocného vinutí
Pomocné vinutí je doplňkové vinutí, které může uživatel vyžadovat pro nějakou externí implementaci.
Řekněme, že spolu s 330 V na sekundárním obvodu potřebujete další vinutí pro získání 33 V pro LED lampu. Nejprve spočítáme sekundární: pomocný poměr otáček vzhledem k jmenovitému výkonu 310 V sekundárního vinutí. Vzorec je:
NNA= Vsek/ (V.do+ Vd)
NNA= sekundární: pomocný poměr, Vsek= Sekundárně regulované usměrněné napětí, Vdo= pomocné napětí, Vd= Hodnota dopředného poklesu diody pro usměrňovací diodu. Protože zde potřebujeme vysokorychlostní diodu, použijeme schottkyho usměrňovač s Vd= 0,5 V
Jeho řešení nám dává:
NNA= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, zaokrouhlíme to na 9.
Nyní odvodíme počet závitů potřebných pro pomocné vinutí, docílíme to pomocí vzorce:
Ndo= Nsek/ NNA
Kde Ndo= pomocné otáčky, Nsek= sekundární otáčky, NNA= pomocný poměr.
Z našich předchozích výsledků máme Nsek= 96 a NNA= 9, dosadíme-li je do výše uvedeného vzorce, dostaneme:
Ndo= 96/9 = 10,66, zaokrouhlení nám dává 11 zatáček. Takže pro získání 33 V budeme potřebovat 11 otáček na sekundární straně.
Tímto způsobem tedy můžete dimenzovat pomocné vinutí podle vlastních preferencí.
Balení
V tomto příspěvku jsme se naučili, jak vypočítat a navrhnout invertorové transformátory na bázi feritového jádra pomocí následujících kroků:
- Vypočítejte primární otáčky
- Vypočítejte sekundární otáčky
- Určete a potvrďte B max
- Určete maximální sekundární napětí pro řízení zpětné vazby PWM
- Najděte primární poměr sekundárních otáček
- Vypočítejte sekundární počet závitů
- Vypočítejte otáčky pomocného vinutí
Pomocí výše uvedených vzorců a výpočtů může zainteresovaný uživatel snadno navrhnout přizpůsobený měnič na bázi feritového jádra pro aplikaci SMPS.
Pokud máte dotazy a pochybnosti, neváhejte použít pole pro komentář níže, pokusím se to vyřešit nejdříve
Předchozí: Typy desek Arduino se specifikacemi Další: Vysvětlení digitálně-analogových (DAC), analogově-digitálních (ADC) převodníků
