Il calcolo del trasformatore di ferrite è un processo in cui gli ingegneri valutano le varie specifiche dell'avvolgimento e la dimensione del nucleo del trasformatore, utilizzando la ferrite come materiale del nucleo. Questo li aiuta a creare un trasformatore perfettamente ottimizzato per una data applicazione.
Il post presenta una spiegazione dettagliata su come calcolare e progettare trasformatori con nucleo di ferrite personalizzati. Il contenuto è di facile comprensione e può essere molto utile per gli ingegneri impegnati nel campo di elettronica di potenza e la produzione di inverter SMPS.
Perché il nucleo di ferrite viene utilizzato nei convertitori ad alta frequenza
Ci si potrebbe spesso chiedere il motivo dell'utilizzo di nuclei di ferrite in tutti i moderni alimentatori a commutazione o convertitori SMPS. Giusto, è per ottenere una maggiore efficienza e compattezza rispetto agli alimentatori con nucleo in ferro, ma sarebbe interessante sapere come i nuclei di ferrite ci permettono di raggiungere questo alto grado di efficienza e compattezza?
È perché in trasformatori con anima in ferro, il materiale di ferro ha una permeabilità magnetica molto inferiore rispetto al materiale di ferrite. Al contrario, i nuclei di ferrite possiedono una permeabilità magnetica molto elevata.
Ciò significa che, se sottoposto a un campo magnetico, il materiale ferritico è in grado di raggiungere un grado di magnetizzazione molto elevato, meglio di tutte le altre forme di materiale magnetico.
Una maggiore permeabilità magnetica significa, minore quantità di correnti parassite e minori perdite di commutazione. Un materiale magnetico ha normalmente la tendenza a generare correnti parassite in risposta a una frequenza magnetica crescente.
All'aumentare della frequenza, aumenta anche la corrente parassita causando il riscaldamento del materiale e l'aumento dell'impedenza della bobina, che porta a ulteriori perdite di commutazione.
I nuclei di ferrite, grazie alla loro elevata permeabilità magnetica, sono in grado di lavorare in modo più efficiente con frequenze più alte, a causa di correnti parassite inferiori e minori perdite di commutazione.
Ora potresti pensare, perché non usare una frequenza più bassa in quanto ciò contribuirebbe invece a ridurre le correnti parassite? Appare valido, però, una frequenza più bassa significherebbe anche aumentare il numero di spire per lo stesso trasformatore.
Poiché le frequenze più alte consentono un numero di giri proporzionalmente inferiore, il trasformatore è più piccolo, leggero ed economico. Questo è il motivo per cui SMPS utilizza un'alta frequenza.
Topologia inverter
Negli inverter in modalità switch, normalmente escono due tipi di topologia: push-pull e Ponte completo . Il push pull impiega un rubinetto centrale per l'avvolgimento primario, mentre il ponte completo è costituito da un unico avvolgimento sia per il primario che per il secondario.
In realtà, entrambe le topologie sono di natura push-pull. In entrambe le forme l'avvolgimento viene applicato con una corrente alternata inversa-diretta a commutazione continua dai MOSFET, oscillante all'alta frequenza specificata, imitando un'azione push-pull.
L'unica differenza fondamentale tra i due è che il lato primario del trasformatore di presa centrale ha un numero di giri 2 volte superiore rispetto al trasformatore a ponte intero.
Come calcolare il trasformatore dell'invertitore del nucleo di ferrite
Calcolare un trasformatore con nucleo di ferrite è in realtà abbastanza semplice, se si hanno a disposizione tutti i parametri specificati.
Per semplicità, proveremo a risolvere la formula attraverso un set di esempio, diciamo per un trasformatore da 250 watt.
La fonte di alimentazione sarà una batteria da 12 V. La frequenza per la commutazione del trasformatore sarà di 50 kHz, una cifra tipica nella maggior parte degli inverter SMPS. Assumeremo che l'uscita sia 310 V, che normalmente è il valore di picco di un RMS a 220 V.
Qui, il 310 V sarà dopo la rettifica attraverso un rapido recupero raddrizzatore a ponte e filtri LC. Selezioniamo il core come ETD39.
Come tutti sappiamo, quando a Batteria da 12 V. viene utilizzato, la sua tensione non è mai costante. A piena carica il valore è di circa 13 V, che continua a diminuire man mano che il carico dell'inverter consuma energia, finché alla fine la batteria si scarica al suo limite minimo, che è tipicamente di 10,5 V. Quindi per i nostri calcoli considereremo 10,5 V come valore di alimentazione per V in (min).
Turni primari
Di seguito è riportata la formula standard per il calcolo del numero primario di giri:
N (primo)= V in (sostantivo)x 108/ 4 x f X B maxX PER c
Qui N (primo)si riferisce ai numeri di turno primari. Poiché nel nostro esempio abbiamo selezionato una topologia push-pull con maschiatura centrale, il risultato ottenuto sarà la metà del numero totale di giri richiesti.
- Vino (nome)= Tensione di ingresso media. Dato che la nostra tensione media della batteria è 12V, prendiamola Vino (nome)= 12.
- f = 50 kHz o 50.000 Hz. È la frequenza di commutazione preferita, selezionata da noi.
- B max= Massima densità di flusso in Gauss. In questo esempio, assumeremo B maxessere nella gamma da 1300G a 2000G. Questo è il valore standard per la maggior parte dei nuclei di trasformatori a base di ferrite. In questo esempio, stabiliamoci a 1500G. Quindi abbiamo B max= 1500. Valori più alti di B maxè sconsigliato in quanto ciò potrebbe portare il trasformatore a raggiungere il punto di saturazione. Al contrario, valori inferiori di B maxpuò comportare un sottoutilizzo del nucleo.
- PERc= Area effettiva della sezione trasversale in cmDue. Queste informazioni possono essere raccolte dalle schede tecniche dei nuclei di ferrite . Puoi anche trovare Acpresentato come Ae. Per il numero di nucleo selezionato ETD39, l'area della sezione trasversale effettiva fornita nella scheda tecnica è di 125 mmDue. Questo è uguale a 1,25 cmDue. Quindi abbiamo, Ac= 1,25 per ETD39.
Le figure sopra ci danno i valori per tutti i parametri necessari per il calcolo delle spire primarie del nostro trasformatore inverter SMPS. Pertanto, sostituendo i rispettivi valori nella formula sopra, otteniamo:
N (primo)= V in (sostantivo)x 108/ 4 x f X B maxX PER c
N (primo)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1.2
N (primo)= 3.2
Poiché 3,2 è un valore frazionario e può essere difficile da implementare praticamente, lo arrotonderemo a 3 turni. Tuttavia, prima di finalizzare questo valore, dobbiamo verificare se il valore di B maxè ancora compatibile e rientra nell'intervallo accettabile per questo nuovo valore arrotondato 3.
Perché diminuire il numero di giri provocherà un aumento proporzionale del B max, quindi diventa imperativo verificare se il B maxè ancora entro un intervallo accettabile per i nostri 3 turni primari.
Controllo del contatore B maxsostituendo i seguenti valori esistenti otteniamo:
Vino (nome)= 12, f = 50000, N a= 3, PER c= 1,25
B max= V in (sostantivo)x 108/ 4 x f X N (primo)X PER c
B max= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B max= 1600
Come si può vedere il nuovo B maxvalore per N (a)= 3 giri sembra a posto ed è ben all'interno dell'intervallo accettabile. Ciò implica anche che, se in qualsiasi momento hai voglia di manipolare il numero di file N (primo)giri, è necessario assicurarsi che sia conforme al nuovo corrispondente B maxvalore.
Al contrario, potrebbe essere possibile determinare prima il file B maxper un numero desiderato di giri primari e quindi regolare il numero di giri a questo valore modificando opportunamente le altre variabili nella formula.
Giri secondari
Ora sappiamo come calcolare il lato primario di un trasformatore inverter SMPS in ferrite, è ora di guardare nell'altro lato, cioè il secondario del trasformatore.
Poiché il valore di picco deve essere 310 V per il secondario, vorremmo che il valore si mantenga per l'intero intervallo di tensione della batteria a partire da 13 V a 10,5 V.
Senza dubbio dovremo impiegare a sistema di feedback per mantenere un livello di tensione di uscita costante, per contrastare la bassa tensione della batteria o l'aumento delle variazioni di corrente di carico.
Ma per questo ci deve essere un certo margine o margine superiore per facilitare questo controllo automatico. Un margine di +20 V sembra abbastanza buono, quindi selezioniamo la massima tensione di picco in uscita come 310 + 20 = 330 V.
Ciò significa anche che il trasformatore deve essere progettato per emettere 310 V alla tensione della batteria 10.5 più bassa.
Per il controllo del feedback normalmente utilizziamo un circuito PWM autoregolante, che amplia l'ampiezza dell'impulso durante la batteria scarica o il carico elevato e la restringe proporzionalmente in assenza di carico o in condizioni ottimali della batteria.
Ciò significa che a condizioni di batteria scarica il PWM deve adattarsi automaticamente al ciclo di lavoro massimo, per mantenere l'uscita stabilita di 310 V. Si può presumere che questo PWM massimo sia il 98% del ciclo di lavoro totale.
Il divario del 2% è lasciato per il tempo morto. Il tempo morto è il gap di tensione zero tra ciascuna frequenza di semiciclo, durante il quale i MOSFET oi dispositivi di alimentazione specifici rimangono completamente spenti. Ciò garantisce la sicurezza garantita e impedisce il passaggio attraverso i MOSFET durante i periodi di transizione dei cicli push pull.
Quindi, l'alimentazione in ingresso sarà minima quando la tensione della batteria raggiunge il suo livello minimo, cioè quando V nel= V in (min)= 10,5 V. In questo modo il ciclo di lavoro sarà al massimo del 98%.
I dati di cui sopra possono essere utilizzati per calcolare la tensione media (DC RMS) necessaria al lato primario del trasformatore per generare 310 V al secondario, quando la batteria è al minimo 10,5 V. Per questo moltiplichiamo il 98% per 10,5, come mostrato di seguito:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, questa è la tensione nominale che dovrebbe avere il nostro primario del trasformatore.
Ora, conosciamo la tensione secondaria massima che è 330 V, e conosciamo anche la tensione primaria che è 10,29 V. Questo ci permette di ottenere il rapporto dei due lati come: 330: 10,29 = 32,1.
Poiché il rapporto tra i valori di tensione è 32,1, anche il rapporto di rotazione dovrebbe essere nello stesso formato.
Significato, x: 3 = 32,1, dove x = turni secondari, 3 = turni primari.
Risolvendo questo possiamo ottenere rapidamente il numero secondario di turni
Pertanto i giri secondari sono = 96,3.
La figura 96.3 è il numero di spire secondarie di cui abbiamo bisogno per il trasformatore inverter in ferrite proposto che stiamo progettando. Come affermato in precedenza, poiché i valori frazionari sono difficili da implementare praticamente, lo arrotondiamo a 96 giri.
Questo conclude i nostri calcoli e spero che tutti i lettori qui debbano aver capito come calcolare semplicemente un trasformatore di ferrite per uno specifico circuito inverter SMPS.
Calcolo dell'avvolgimento ausiliario
Un avvolgimento ausiliario è un avvolgimento supplementare che un utente può richiedere per alcune implementazioni esterne.
Diciamo che, insieme ai 330 V sul secondario, è necessario un altro avvolgimento per ottenere 33 V per una lampada a LED. Per prima cosa calcoliamo il secondario: ausiliario rapporto di rotazione rispetto al valore nominale di 310 V. La formula è:
NPER= Vsec/ (VAgli+ Vd)
NPER= secondario: rapporto ausiliario, Vsec= Tensione rettificata secondaria regolata, VAgli= tensione ausiliaria, Vd= Valore di caduta diretta del diodo per il diodo raddrizzatore. Poiché qui abbiamo bisogno di un diodo ad alta velocità, useremo un raddrizzatore Schottky con una V.d= 0,5 V.
Risolverlo ci dà:
NPER= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, arrotondiamo a 9.
Ora deriviamo il numero di spire necessario per l'avvolgimento ausiliario, otteniamo questo applicando la formula:
NAgli= Nsec/ NPER
Dove NAgli= giri ausiliari, Nsec= giri secondari, NPER= rapporto ausiliario.
Dai nostri risultati precedenti abbiamo Nsec= 96 e NPER= 9, sostituendoli nella formula sopra otteniamo:
NAgli= 96/9 = 10,66, arrotondare ci dà 11 giri. Quindi per ottenere 33 V avremo bisogno di 11 giri sul lato secondario.
In questo modo è possibile dimensionare un avvolgimento ausiliario secondo le proprie preferenze.
Avvolgendo
In questo post abbiamo imparato come calcolare e progettare trasformatori inverter basati su nucleo di ferrite, utilizzando i seguenti passaggi:
- Calcola turni primari
- Calcola turni secondari
- Determina e conferma B max
- Determina la tensione secondaria massima per il controllo del feedback PWM
- Trova il rapporto di rotazione primaria secondaria
- Calcola il numero secondario di turni
- Calcola giri di avvolgimento ausiliari
Utilizzando le formule ei calcoli sopra menzionati, un utente interessato può facilmente progettare un inverter basato su nucleo di ferrite personalizzato per l'applicazione SMPS.
Per domande e dubbi non esitare a utilizzare la casella dei commenti qui sotto, cercherò di risolverli al più presto
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