Ο υπολογισμός του μετασχηματιστή φερρίτη είναι μια διαδικασία κατά την οποία οι μηχανικοί αξιολογούν τις διάφορες προδιαγραφές περιέλιξης και τη διάσταση του πυρήνα του μετασχηματιστή, χρησιμοποιώντας τον φερρίτη ως βασικό υλικό. Αυτό τους βοηθά να δημιουργήσουν έναν τέλεια βελτιστοποιημένο μετασχηματιστή για μια δεδομένη εφαρμογή.
Η ανάρτηση παρουσιάζει μια λεπτομερή εξήγηση σχετικά με τον τρόπο υπολογισμού και σχεδιασμού προσαρμοσμένων μετασχηματιστών πυρήνα φερρίτη. Το περιεχόμενο είναι κατανοητό και μπορεί να είναι πολύ βολικό για μηχανικούς που ασχολούνται με τον τομέα ηλεκτρονικά ισχύος και κατασκευή μετατροπέων SMPS.
Γιατί το Ferrite Core χρησιμοποιείται σε μετατροπείς υψηλής συχνότητας
Ίσως αναρωτηθήκατε συχνά τον λόγο πίσω από τη χρήση πυρήνων φερρίτη σε όλα τα σύγχρονα τροφοδοτικά λειτουργίας μετατροπέα ή μετατροπείς SMPS. Σωστά, είναι να επιτύχουμε υψηλότερη απόδοση και συμπαγή συγκριτικά με τα τροφοδοτικά πυρήνα σιδήρου, αλλά θα ήταν ενδιαφέρον να μάθουμε πώς οι πυρήνες φερρίτη μας επιτρέπουν να επιτύχουμε αυτόν τον υψηλό βαθμό απόδοσης και συμπαγείας;
Είναι επειδή στο μετασχηματιστές πυρήνα σιδήρου, το υλικό σιδήρου έχει πολύ κατώτερη μαγνητική διαπερατότητα από το υλικό φερρίτη. Αντιθέτως, οι πυρήνες φερρίτη διαθέτουν πολύ υψηλή μαγνητική διαπερατότητα.
Δηλαδή, όταν υποβάλλεται σε μαγνητικό πεδίο, το υλικό φερρίτη μπορεί να επιτύχει πολύ υψηλό βαθμό μαγνητισμού, καλύτερα από όλες τις άλλες μορφές μαγνητικού υλικού.
Μεγαλύτερη μαγνητική διαπερατότητα σημαίνει, χαμηλότερη ποσότητα ρεύματος διόδου και χαμηλότερες απώλειες μεταγωγής. Ένα μαγνητικό υλικό έχει συνήθως την τάση να δημιουργεί ρεύμα νεφρού σε απόκριση μιας αυξανόμενης μαγνητικής συχνότητας.
Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, αυξάνεται επίσης το ρεύμα του ριζοκέρου προκαλώντας θέρμανση του υλικού και αύξηση της αντίστασης πηνίου, γεγονός που οδηγεί σε περαιτέρω απώλειες μεταγωγής.
Οι πυρήνες φερρίτη, λόγω της υψηλής μαγνητικής διαπερατότητάς τους, είναι σε θέση να λειτουργούν πιο αποτελεσματικά με υψηλότερες συχνότητες, λόγω χαμηλότερων ρευμάτων και χαμηλότερων απωλειών μεταγωγής.
Τώρα μπορείτε να σκεφτείτε, γιατί να μην χρησιμοποιήσετε χαμηλότερη συχνότητα καθώς αυτό θα βοηθούσε αντίθετα στη μείωση των ριωδών ρευμάτων; Φαίνεται έγκυρη, ωστόσο, η χαμηλότερη συχνότητα θα σήμαινε επίσης αύξηση του αριθμού στροφών για τον ίδιο μετασχηματιστή.
Δεδομένου ότι οι υψηλότερες συχνότητες επιτρέπουν αναλογικά μικρότερο αριθμό στροφών, έχει ως αποτέλεσμα ο μετασχηματιστής να είναι μικρότερος, ελαφρύτερος και φθηνότερος. Γι 'αυτό το SMPS χρησιμοποιεί υψηλή συχνότητα.
Τοπολογία μετατροπέα
Σε μετατροπείς λειτουργίας διακόπτη, συνήθως εξέρχονται δύο τύποι τοπολογίας: push-pull και Πλήρης γέφυρα . Το push pull χρησιμοποιεί μια κεντρική βρύση για την πρωτεύουσα περιέλιξη, ενώ η πλήρης γέφυρα αποτελείται από μία μόνο περιέλιξη τόσο για την πρωτεύουσα όσο και για τη δευτερεύουσα.
Στην πραγματικότητα, και οι δύο τοπολογίες είναι ωφέλιμες. Και στις δύο μορφές η περιέλιξη εφαρμόζεται με συνεχές εναλλασσόμενο εναλλασσόμενο ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος από τους MOSFETs, που ταλαντεύονται στην καθορισμένη υψηλή συχνότητα, μιμείται μια κίνηση ώθησης-έλξης.
Η μόνη θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των δύο είναι, ότι η κύρια πλευρά του μετασχηματιστή κεντρικής βρύσης έχει 2 φορές μεγαλύτερο αριθμό στροφών από τον μετασχηματιστή Full Bridge.
Πώς να υπολογίσετε τον μετασχηματιστή Ferrite Core Inverter
Ο υπολογισμός ενός μετασχηματιστή πυρήνα φερρίτη είναι πραγματικά πολύ απλός, αν έχετε όλες τις καθορισμένες παραμέτρους στο χέρι.
Για απλότητα, θα προσπαθήσουμε να λύσουμε τον τύπο μέσω ενός παραδείγματος ρύθμισης, ας πούμε για έναν μετασχηματιστή 250 watt.
Η πηγή ισχύος θα είναι μπαταρία 12 V. Η συχνότητα εναλλαγής του μετασχηματιστή θα είναι 50 kHz, μια τυπική τιμή στους περισσότερους μετατροπείς SMPS. Θα υποθέσουμε ότι η έξοδος είναι 310 V, η οποία είναι συνήθως η μέγιστη τιμή των 220V RMS.
Εδώ, το 310 V θα είναι μετά από διόρθωση μέσω γρήγορης ανάκτησης ανορθωτής γέφυρας , και φίλτρα LC. Επιλέγουμε τον πυρήνα ως ETD39.
Όπως όλοι γνωρίζουμε, όταν Μπαταρία 12 V χρησιμοποιείται, η τάση δεν είναι ποτέ σταθερή. Σε πλήρη φόρτιση η τιμή είναι περίπου 13 V, η οποία συνεχίζει να μειώνεται καθώς το φορτίο του μετατροπέα καταναλώνει ενέργεια, έως ότου τελικά η μπαταρία αποφορτιστεί στο χαμηλότερο όριό της, που είναι συνήθως 10,5 V. Έτσι, για τους υπολογισμούς μας θα θεωρήσουμε τα 10,5 V ως την τιμή τροφοδοσίας Β σε (λεπτά).
Κύριες στροφές
Ο τυπικός τύπος για τον υπολογισμό του πρωτεύοντος αριθμού στροφών δίνεται παρακάτω:
Ν (πρώτα)= Β σε (ουσιαστικό)x 108/ 4 x φά Χ σι ΜέγιστηΧ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ντο
Εδώ Ν (πρώτα)αναφέρεται στους πρωτεύοντες αριθμούς στροφής. Δεδομένου ότι έχουμε επιλέξει μια τοπολογία κεντρικής ώθησης ώθησης στο παράδειγμά μας, το αποτέλεσμα που θα ληφθεί θα είναι το ήμισυ του συνολικού αριθμού στροφών που απαιτείται.
- Κρασί (επίθετο)= Μέση τάση εισόδου. Δεδομένου ότι η μέση τάση μπαταρίας μας είναι 12V, ας πάρουμε Κρασί (επίθετο)= 12.
- φά = 50 kHz ή 50.000 Hz. Είναι η προτιμώμενη συχνότητα μεταγωγής, όπως επιλέξαμε από εμάς.
- σι Μέγιστη= Μέγιστη πυκνότητα ροής στο Gauss. Σε αυτό το παράδειγμα, θα υποθέσουμε σι Μέγιστηνα κυμαίνεται από 1300G έως 2000G. Αυτή είναι η τυπική τιμή των περισσότερων πυρήνων μετασχηματιστή με βάση φερρίτη. Σε αυτό το παράδειγμα, ας εγκατασταθούμε στα 1500G. Έτσι έχουμε σι Μέγιστη= 1500. Υψηλότερες τιμές σι Μέγιστηδεν συνιστάται καθώς αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα ο μετασχηματιστής να φτάσει στο σημείο κορεσμού. Αντίθετα, χαμηλότερες τιμές σι Μέγιστημπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την αξιοποίηση του πυρήνα.
- ΠΡΟΣ ΤΗΝντο= Αποτελεσματική διατομή σε cmδύο. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να συλλεχθούν από τα φύλλα δεδομένων των πυρήνων φερρίτη . Μπορείτε επίσης να βρείτε Αντοπαρουσιάζεται ως Αείναι. Για τον επιλεγμένο αριθμό πυρήνα ETD39, η πραγματική επιφάνεια διατομής που παρέχεται στο φύλλο φύλλου δεδομένων είναι 125 mmδύο. Αυτό είναι ίσο με 1,25 εκατοστάδύο. Επομένως έχουμε, Αντο= 1,25 για ETD39.
Τα παραπάνω σχήματα μας δίνουν τις τιμές για όλες τις παραμέτρους που απαιτούνται για τον υπολογισμό των κύριων στροφών του μετασχηματιστή μετατροπέα SMPS. Επομένως, αντικαθιστώντας τις αντίστοιχες τιμές στον παραπάνω τύπο, λαμβάνουμε:
Ν (πρώτα)= Β σε (ουσιαστικό)x 108/ 4 x φά Χ σι ΜέγιστηΧ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ντο
Ν (πρώτα)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
Ν (πρώτα)= 3.2
Επειδή το 3.2 είναι κλασματική τιμή και μπορεί να είναι δύσκολο να εφαρμοστεί πρακτικά, θα το ολοκληρώσουμε σε 3 στροφές. Ωστόσο, πριν από την οριστικοποίηση αυτής της τιμής, πρέπει να διερευνήσουμε εάν η τιμή είναι σι Μέγιστηεξακολουθεί να είναι συμβατό και εντός του αποδεκτού εύρους για αυτήν τη νέα στρογγυλεμένη τιμή 3.
Επειδή, η μείωση του αριθμού των στροφών θα προκαλέσει αναλογική αύξηση του σι Μέγιστη, ως εκ τούτου καθίσταται επιτακτική ανάγκη να ελέγξετε εάν η αύξηση σι Μέγιστηεξακολουθεί να βρίσκεται εντός αποδεκτού εύρους για τις 3 κύριες στροφές μας.
Έλεγχος μετρητών σι Μέγιστηαντικαθιστώντας τις ακόλουθες υπάρχουσες τιμές που έχουμε:
Κρασί (επίθετο)= 12, φά = 50000, Ν στο= 3, ΠΡΟΣ ΤΗΝ ντο= 1,25
σι Μέγιστη= Β σε (ουσιαστικό)x 108/ 4 x φά Χ Ν (πρώτα)Χ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ντο
σι Μέγιστη= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
σι Μέγιστη= 1600
Όπως φαίνεται το νέο σι Μέγιστητιμή για Ν (στο)= 3 στροφές φαίνεται ωραία και είναι εντός του αποδεκτού εύρους. Αυτό συνεπάγεται επίσης ότι, αν ανά πάσα στιγμή θέλετε να χειριστείτε τον αριθμό Ν (πρώτα)στροφές, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι συμμορφώνεται με το αντίστοιχο νέο σι Μέγιστηαξία.
Αντίθετα, μπορεί πρώτα να προσδιοριστεί το σι Μέγιστηγια έναν επιθυμητό αριθμό πρωτογενών στροφών και, στη συνέχεια, προσαρμόστε τον αριθμό των στροφών σε αυτήν την τιμή τροποποιώντας κατάλληλα τις άλλες μεταβλητές στον τύπο.
Δευτερεύουσες στροφές
Τώρα ξέρουμε πώς να υπολογίσουμε την πρωτεύουσα πλευρά ενός μετασχηματιστή φερρίτη SMPS, ήρθε η ώρα να εξετάσουμε την άλλη πλευρά, που είναι η δευτερεύουσα του μετασχηματιστή.
Δεδομένου ότι η τιμή αιχμής πρέπει να είναι 310 V για το δευτερεύον, θα θέλαμε να διατηρηθεί η τιμή για ολόκληρο το εύρος τάσης της μπαταρίας ξεκινώντας από 13 V έως 10,5 V.
Αναμφίβολα θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα σύστημα ανατροφοδότησης για τη διατήρηση σταθερού επιπέδου τάσης εξόδου, για την αντιμετώπιση της χαμηλής τάσης της μπαταρίας ή την αύξηση των μεταβολών του ρεύματος φορτίου.
Αλλά για αυτό πρέπει να υπάρχει κάποιο ανώτερο περιθώριο ή αίθουσα για διευκόλυνση αυτού του αυτόματου ελέγχου. Το περιθώριο +20 V φαίνεται αρκετά καλό, επομένως επιλέγουμε τη μέγιστη τάση μέγιστης εξόδου ως 310 + 20 = 330 V.
Αυτό σημαίνει επίσης ότι ο μετασχηματιστής πρέπει να έχει σχεδιαστεί για έξοδο 310 V στην χαμηλότερη τάση μπαταρίας 10,5.
Για έλεγχο ανατροφοδότησης, συνήθως χρησιμοποιούμε ένα αυτορυθμιζόμενο κύκλωμα PWM, το οποίο διευρύνει το πλάτος παλμού κατά τη διάρκεια χαμηλής μπαταρίας ή υψηλού φορτίου και το περιορίζει αναλογικά κατά τη διάρκεια χωρίς φορτίο ή βέλτιστες συνθήκες μπαταρίας.
Αυτό σημαίνει, στο χαμηλές συνθήκες μπαταρίας το PWM πρέπει να ρυθμιστεί αυτόματα στον μέγιστο κύκλο λειτουργίας, για τη διατήρηση της προβλεπόμενης εξόδου 310 V. Αυτό το μέγιστο PWM μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι 98% του συνολικού κύκλου λειτουργίας.
Το κενό 2% μένει για τον νεκρό χρόνο. Νεκρός χρόνος είναι το κενό μηδενικής τάσης μεταξύ κάθε συχνότητας μισού κύκλου, κατά τη διάρκεια του οποίου τα MOSFET ή οι συγκεκριμένες συσκευές ισχύος παραμένουν εντελώς κλειστές. Αυτό διασφαλίζει εγγυημένη ασφάλεια και αποτρέπει τη λήψη μέσω των MOSFET κατά τη διάρκεια των μεταβατικών περιόδων των κύκλων ώθησης.
Επομένως, η παροχή εισόδου θα είναι ελάχιστη όταν η τάση της μπαταρίας φτάσει στο ελάχιστο επίπεδο, δηλαδή όταν Β σε= Β σε (λεπτά)= 10.5 V. Αυτό θα ωθήσει τον κύκλο λειτουργίας να είναι στο μέγιστο 98%.
Τα παραπάνω δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της μέσης τάσης (DC RMS) που απαιτείται για την παραγωγή της πρωτεύουσας πλευράς του μετασχηματιστή 310 V στη δευτερεύουσα, όταν η μπαταρία είναι τουλάχιστον 10,5 V. Για αυτό πολλαπλασιάζουμε το 98% με 10,5, ως Φαίνεται παρακάτω:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, αυτή η βαθμολογία τάσης υποτίθεται ότι έχει το πρωτεύον μετασχηματιστή μας.
Τώρα, γνωρίζουμε τη μέγιστη δευτερεύουσα τάση που είναι 330 V, και επίσης γνωρίζουμε την κύρια τάση που είναι 10,29 V. Αυτό μας επιτρέπει να πάρουμε την αναλογία των δύο πλευρών ως: 330: 10.29 = 32.1.
Δεδομένου ότι ο λόγος των ονομαστικών τάσεων είναι 32,1, ο λόγος στροφής πρέπει επίσης να είναι στην ίδια μορφή.
Σημασία, x: 3 = 32.1, όπου x = δευτερεύουσες στροφές, 3 = πρωτεύουσες στροφές.
Λύνοντας αυτό μπορούμε γρήγορα να πάρουμε τον δευτερεύοντα αριθμό στροφών
Επομένως, οι δευτερεύουσες στροφές είναι = 96,3.
Το σχήμα 96.3 είναι ο αριθμός των δευτερευουσών στροφών που χρειαζόμαστε για τον προτεινόμενο μετασχηματιστή φερρίτη που σχεδιάζουμε. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, καθώς οι κλασματικές φιάλες είναι δύσκολο να εφαρμοστούν πρακτικά, στρογγυλοποιούμε σε 96 στροφές.
Αυτό ολοκληρώνει τους υπολογισμούς μας και ελπίζω ότι όλοι οι αναγνώστες εδώ πρέπει να έχουν καταλάβει πώς να υπολογίζουν απλά έναν μετασχηματιστή φερρίτη για ένα συγκεκριμένο κύκλωμα μετατροπέα SMPS.
Υπολογισμός βοηθητικής περιέλιξης
Μια βοηθητική περιέλιξη είναι μια συμπληρωματική περιέλιξη που μπορεί να απαιτεί ένας χρήστης για κάποια εξωτερική εφαρμογή.
Ας πούμε, μαζί με τα 330 V στο δευτερεύον, χρειάζεστε μια άλλη περιέλιξη για να λάβετε 33 V για μια λυχνία LED. Υπολογίζουμε πρώτα το δευτερεύον: βοηθητικό αναλογία στροφής σε σχέση με τη βαθμολογία δευτερεύουσας περιέλιξης 310 V. Ο τύπος είναι:
ΝΠΡΟΣ ΤΗΝ= Vδευτ/ (Vστο+ V.ρε)
ΝΠΡΟΣ ΤΗΝ= δευτερεύον: βοηθητικός λόγος, Vδευτ= Δευτερεύουσα ρυθμιζόμενη διορθωμένη τάση, Vστο= βοηθητική τάση, Vρε= Τιμή πτώσης προς τα εμπρός διόδου για τη διόρθωση ανορθωτή. Εφόσον χρειαζόμαστε μια δίοδο υψηλής ταχύτητας εδώ, θα χρησιμοποιήσουμε έναν ανορθωτή schottky με Vρε= 0,5V
Η επίλυση μας δίνει:
ΝΠΡΟΣ ΤΗΝ= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, ας το ολοκληρώσουμε στο 9.
Τώρα ας βρούμε τον αριθμό των στροφών που απαιτούνται για τη βοηθητική περιέλιξη, το παίρνουμε εφαρμόζοντας τον τύπο:
Νστο= Νδευτ/ ΝΠΡΟΣ ΤΗΝ
Όπου Νστο= βοηθητικές στροφές, Νδευτ= δευτερεύουσες στροφές, ΝΠΡΟΣ ΤΗΝ= βοηθητική αναλογία.
Από τα προηγούμενα αποτελέσματα έχουμε Νδευτ= 96 και ΝΠΡΟΣ ΤΗΝ= 9, αντικαθιστώντας τους στον παραπάνω τύπο παίρνουμε:
Νστο= 96/9 = 10,66, το στρογγυλό μας δίνει 11 στροφές. Έτσι για να πάρουμε 33 V θα χρειαστούν 11 στροφές στη δευτερεύουσα πλευρά.
Έτσι με αυτόν τον τρόπο μπορείτε να διαστασιολογήσετε μια βοηθητική περιέλιξη σύμφωνα με τη δική σας προτίμηση.
Τυλίγοντας
Σε αυτήν την ανάρτηση μάθαμε πώς να υπολογίζουμε και να σχεδιάζουμε μετασχηματιστές μετατροπέα με βάση φερρίτη, ακολουθώντας τα ακόλουθα βήματα:
- Υπολογίστε τις κύριες στροφές
- Υπολογίστε δευτερεύουσες στροφές
- Προσδιορίστε και επιβεβαιώστε σι Μέγιστη
- Προσδιορίστε τη μέγιστη δευτερεύουσα τάση για τον έλεγχο ανατροφοδότησης PWM
- Βρείτε την κύρια δευτερεύουσα αναλογία στροφής
- Υπολογίστε τον δευτερεύοντα αριθμό στροφών
- Υπολογίστε τις βοηθητικές στροφές περιέλιξης
Χρησιμοποιώντας τους παραπάνω τύπους και υπολογισμούς, ένας ενδιαφερόμενος χρήστης μπορεί εύκολα να σχεδιάσει έναν προσαρμοσμένο μετατροπέα βασισμένο σε φερρίτη για εφαρμογή SMPS.
Για ερωτήσεις και αμφιβολίες, μη διστάσετε να χρησιμοποιήσετε το παρακάτω πλαίσιο σχολίων, θα προσπαθήσω να λύσω το νωρίτερο
Προηγούμενο: Τύποι πινάκων Arduino με προδιαγραφές Επόμενο: Επεξήγηση μετατροπέων Digital-to-Analog (DAC), Analog-to-Digital (ADC)
