Расчет ферритового трансформатора - это процесс, в котором инженеры оценивают различные характеристики обмотки и размер сердечника трансформатора, используя феррит в качестве материала сердечника. Это помогает им создать идеально оптимизированный трансформатор для конкретного приложения.
В сообщении представлено подробное объяснение того, как рассчитать и разработать индивидуальные трансформаторы с ферритовым сердечником. Контент прост для понимания и может быть очень полезен инженерам, работающим в области силовая электроника , и производство инверторов SMPS.
Почему ферритовый сердечник используется в высокочастотных преобразователях
Вы, возможно, часто задавались вопросом, зачем использовать ферритовые сердечники во всех современных импульсных источниках питания или преобразователях SMPS. Верно, он предназначен для достижения большей эффективности и компактности по сравнению с источниками питания с железным сердечником, но было бы интересно узнать, как ферритовые сердечники позволяют нам достичь такой высокой степени эффективности и компактности?
Потому что в трансформаторы сердечника железа, железный материал имеет гораздо более низкую магнитную проницаемость, чем ферритовый материал. Напротив, ферритовые сердечники обладают очень высокой магнитной проницаемостью.
Это означает, что при воздействии магнитного поля ферритовый материал может достигать очень высокой степени намагничивания, лучше, чем все другие формы магнитного материала.
Более высокая магнитная проницаемость означает меньшее количество вихревых токов и меньшие коммутационные потери. Магнитный материал обычно имеет тенденцию генерировать вихревой ток в ответ на повышение магнитной частоты.
По мере увеличения частоты вихревой ток также увеличивается, вызывая нагрев материала и увеличение импеданса катушки, что приводит к дополнительным потерям переключения.
Ферритовые сердечники из-за их высокой магнитной проницаемости могут более эффективно работать с более высокими частотами из-за меньших вихревых токов и меньших потерь переключения.
Теперь вы можете подумать, почему бы не использовать более низкую частоту, поскольку это, наоборот, поможет уменьшить вихревые токи? Это кажется верным, однако более низкая частота также означала бы увеличение количества витков для того же трансформатора.
Поскольку более высокие частоты допускают пропорционально меньшее количество витков, в результате трансформатор становится меньше, легче и дешевле. Вот почему SMPS использует высокую частоту.
Топология инвертора
В инверторах с импульсным режимом обычно используются два типа топологии: двухтактная и Полный мост . Двухтактный использует центральный отвод для первичной обмотки, в то время как полный мост состоит из одной обмотки как для первичной, так и для вторичной обмотки.
На самом деле обе топологии имеют двухтактный характер. В обоих вариантах на обмотку подается непрерывно переключаемый обратный и прямой переменный ток от полевых МОП-транзисторов, колеблющийся с заданной высокой частотой, имитируя двухтактное действие.
Единственное принципиальное различие между ними состоит в том, что первичная сторона трансформатора с центральным ответвлением имеет в 2 раза больше витков, чем у полномостового трансформатора.
Как рассчитать инверторный трансформатор с ферритовым сердечником
Рассчитать трансформатор с ферритовым сердечником на самом деле довольно просто, если у вас есть все заданные параметры под рукой.
Для простоты мы попытаемся решить эту формулу на примере настройки, скажем, для трансформатора на 250 Вт.
Источником питания будет аккумулятор на 12 В. Частота переключения трансформатора будет 50 кГц, что является типичным значением для большинства инверторов SMPS. Предположим, что на выходе будет 310 В, что обычно является пиковым значением 220 В RMS.
Здесь 310 В будет после выпрямления через быстрое восстановление мостовой выпрямитель , и ЖК-фильтры. Выбираем ядро как ETD39.
Как мы все знаем, когда 12 V battery используется, его напряжение никогда не бывает постоянным. При полной зарядке значение составляет около 13 В, которое продолжает падать по мере того, как нагрузка инвертора потребляет энергию, пока, наконец, батарея не разрядится до минимального предела, который обычно составляет 10,5 В. Поэтому для наших расчетов мы будем рассматривать 10,5 В в качестве значения питания для V в (мин).
Первичные витки
Стандартная формула для расчета числа витков первичной обмотки приведена ниже:
N (первый)знак равно V in (имя существительное)х 108/ 4 х ж Икс B МаксимумИкс К c
Здесь N (первый)относится к номерам первичных витков. Поскольку в нашем примере мы выбрали двухтактную топологию с центральным ответвлением, полученный результат будет составлять половину от общего количества необходимых витков.
- Вино (фамилия)= Среднее входное напряжение. Так как у нас среднее напряжение батареи 12 В, возьмем Вино (фамилия)= 12.
- ж = 50 кГц или 50 000 Гц. Это предпочтительная частота переключения, выбранная нами.
- B Максимум= Максимальная плотность потока в гауссах. В этом примере мы предположим B Максимумбыть в диапазоне от 1300G до 2000G. Это стандартное значение для сердечников трансформаторов на основе феррита. В этом примере давайте установим 1500G. Итак, у нас есть B Максимум= 1500. Более высокие значения B Максимумне рекомендуется, так как это может привести к достижению трансформатором точки насыщения. И наоборот, более низкие значения B Максимумможет привести к недоиспользованию ядра.
- Кc= Эффективная площадь поперечного сечения в смдва. Эта информация может быть собрана из паспортов ферритовых сердечников . Вы также можете найти Acпредставлен как Aявляется. Для выбранного сердечника с номером ETD39 эффективная площадь поперечного сечения, указанная в листе технических данных, составляет 125 мм.два. Это равно 1,25 смдва. Следовательно, мы имеем, Ac= 1,25 для ETD39.
На приведенных выше рисунках представлены значения всех параметров, необходимых для расчета витков первичной обмотки нашего инверторного трансформатора SMPS. Следовательно, подставляя соответствующие значения в приведенную выше формулу, получаем:
N (первый)знак равно V in (имя существительное)х 108/ 4 х ж Икс B МаксимумИкс К c
N (первый)= 12 х 108/ 4 х 50000 х 1500 х 1,2
N (первый)= 3,2
Поскольку 3,2 - это дробное значение, которое может быть трудно реализовать на практике, мы округлим его до 3 оборотов. Однако, прежде чем окончательно определить это значение, мы должны выяснить, действительно ли значение B Максимумпо-прежнему совместим и находится в допустимом диапазоне для этого нового округленного значения 3.
Поскольку уменьшение количества витков вызовет пропорциональное увеличение B Максимум, поэтому необходимо проверить, не увеличился ли B Максимумвсе еще находится в допустимом диапазоне для наших 3 витков первичной обмотки.
Проверка счетчика B Максимумподставляя следующие существующие значения, получаем:
Вино (фамилия)= 12, ж = 50000, N в= 3, К c= 1,25
B Максимумзнак равно V in (имя существительное)х 108/ 4 х ж Икс N (первый)Икс К c
B Максимум= 12 х 108/ 4 х 50000 х 3 х 1,25
B Максимум= 1600
Как видно новый B Максимумценность для N (в)= 3 оборота выглядят нормально и находятся в пределах допустимого диапазона. Это также означает, что если вы когда-нибудь захотите изменить количество N (первый)поворотов, вы должны убедиться, что он соответствует соответствующему новому B Максимумценить.
Напротив, можно сначала определить B Максимумдля желаемого числа витков первичной обмотки, а затем отрегулируйте число витков до этого значения, соответствующим образом изменив другие переменные в формуле.
Вторичные повороты
Теперь мы знаем, как рассчитать первичную обмотку ферритового инверторного трансформатора SMPS, пришло время взглянуть на другую сторону, то есть на вторичную обмотку трансформатора.
Поскольку пиковое значение для вторичной обмотки должно составлять 310 В, нам нужно, чтобы это значение сохранялось для всего диапазона напряжения батареи, начиная с 13 В до 10,5 В.
Без сомнения, нам придется использовать система обратной связи для поддержания постоянного уровня выходного напряжения, для противодействия низкому напряжению батареи или возрастающим колебаниям тока нагрузки.
Но для этого должен быть некоторый верхний запас или запас для облегчения этого автоматического управления. Запас +20 В выглядит достаточно хорошо, поэтому мы выбираем максимальное пиковое выходное напряжение как 310 + 20 = 330 В.
Это также означает, что трансформатор должен быть рассчитан на выдачу 310 В при минимальном напряжении батареи 10,5.
Для управления с обратной связью мы обычно используем саморегулирующуюся схему ШИМ, которая увеличивает ширину импульса при низком заряде батареи или высокой нагрузке и пропорционально сужает ее при отсутствии нагрузки или в оптимальных условиях батареи.
Это означает, что при низкий уровень заряда батареи ШИМ должен автоматически настраиваться на максимальный рабочий цикл для поддержания предусмотренного выхода 310 В. Можно предположить, что этот максимальный ШИМ составляет 98% от общего рабочего цикла.
2% -ный разрыв оставлен на мертвое время. Мертвое время - это нулевой интервал напряжения между каждой частотой полупериода, в течение которого полевые МОП-транзисторы или определенные силовые устройства остаются полностью отключенными. Это гарантирует гарантированную безопасность и предотвращает сквозное прохождение через полевые МОП-транзисторы в переходные периоды двухтактных циклов.
Следовательно, входное питание будет минимальным, когда напряжение батареи достигнет минимального уровня, то есть когда V взнак равно V в (мин)= 10,5 В. Это приведет к тому, что рабочий цикл будет максимально 98%.
Приведенные выше данные могут быть использованы для расчета среднего напряжения (среднеквадратичное значение постоянного тока), необходимого для того, чтобы первичная сторона трансформатора генерировала 310 В на вторичной, когда батарея имеет минимальное напряжение 10,5 В. Для этого мы умножаем 98% на 10,5, как показано ниже:
0,98 x 10,5 В = 10,29 В, это номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора.
Теперь мы знаем максимальное вторичное напряжение, которое составляет 330 В, и мы также знаем первичное напряжение, которое составляет 10,29 В. Это позволяет нам получить соотношение двух сторон как: 330: 10,29 = 32,1.
Так как соотношение номинальных напряжений равно 32,1, передаточное число также должно быть в том же формате.
Это означает, что x: 3 = 32,1, где x = вторичные витки, 3 = первичные витки.
Решив это, мы можем быстро получить вторичное количество витков
Следовательно, вторичные витки = 96,3.
Рисунок 96.3 - это количество витков вторичной обмотки, которое нам нужно для предлагаемого ферритового инверторного трансформатора, который мы проектируем. Как указывалось ранее, поскольку дробные значения сложно реализовать на практике, мы округляем его до 96 оборотов.
На этом наши расчеты завершены, и я надеюсь, что все читатели здесь, должно быть, поняли, как просто рассчитать ферритовый трансформатор для конкретной схемы инвертора SMPS.
Расчет вспомогательной обмотки
Вспомогательная обмотка - это дополнительная обмотка, которая может потребоваться пользователю для некоторой внешней реализации.
Скажем, вместе с 330 В на вторичной обмотке вам понадобится еще одна обмотка для получения 33 В для светодиодной лампы. Сначала рассчитаем вторичный: вспомогательный передаточное число по отношению к вторичной обмотке 310 В. Формула:
NК= Vсек/ (Vк+ Vd)
NК= вторичный: вспомогательный коэффициент, Всек= Вторичное регулируемое выпрямленное напряжение, Вк= вспомогательное напряжение, Вd= Значение прямого падения диода для выпрямительного диода. Поскольку нам нужен быстродействующий диод, мы будем использовать выпрямитель Шоттки с Vd= 0,5 В
Решение дает нам:
NК= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, округлим до 9.
Теперь давайте вычислим количество витков, необходимых для вспомогательной обмотки, мы получим это, применив формулу:
Nк= Nсек/ NК
Где Nк= вспомогательные витки, Nсек= вторичные витки, НК= вспомогательное отношение.
Из наших предыдущих результатов мы имеем Nсек= 96 и NК= 9, подставив их в формулу выше, мы получим:
Nк= 96/9 = 10,66, округление дает нам 11 оборотов. Таким образом, для получения 33 В нам потребуется 11 витков на вторичной стороне.
Таким образом, вы можете выбрать размер вспомогательной обмотки в соответствии с вашими предпочтениями.
Подведение итогов
В этом посте мы узнали, как рассчитать и спроектировать инверторные трансформаторы на основе ферритового сердечника, выполнив следующие шаги:
- Расчет первичных витков
- Расчет вторичных витков
- Определить и подтвердить B Максимум
- Определите максимальное вторичное напряжение для управления обратной связью ШИМ
- Найти коэффициент поворота первичной вторичной обмотки
- Рассчитать вторичное количество витков
- Расчет витков вспомогательной обмотки
Используя приведенные выше формулы и расчеты, заинтересованный пользователь может легко разработать индивидуальный инвертор на основе ферритового сердечника для применения в SMPS.
Если у вас есть вопросы и сомнения, пожалуйста, используйте поле для комментариев ниже, я постараюсь решить как можно скорее
Предыдущая: Типы плат Arduino со спецификациями Далее: Цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.
