Het berekenen van een ferriettransformator is een proces waarbij ingenieurs de verschillende wikkelingsspecificaties en de kernafmetingen van de transformator evalueren, waarbij ferriet als kernmateriaal wordt gebruikt. Dit helpt hen om een perfect geoptimaliseerde transformator te creëren voor een bepaalde toepassing.
Het bericht bevat een gedetailleerde uitleg over het berekenen en ontwerpen van aangepaste ferrietkerntransformatoren. De inhoud is gemakkelijk te begrijpen en kan erg handig zijn voor ingenieurs die zich bezighouden met vermogenselektronica , en de fabricage van SMPS-omvormers.
Waarom ferrietkern wordt gebruikt in hoogfrequente converters
Je hebt je misschien vaak afgevraagd waarom je ferrietkernen gebruikt in alle moderne schakelende voedingen of SMPS-converters. Juist, het is om een hogere efficiëntie en compactheid te bereiken in vergelijking met voedingen met ijzeren kern, maar het zou interessant zijn om te weten hoe ferrietkernen ons in staat stellen om deze hoge mate van efficiëntie en compactheid te bereiken?
Het is omdat in ijzeren kerntransformatoren, het ijzeren materiaal heeft een veel mindere magnetische permeabiliteit dan ferrietmateriaal. Ferrietkernen daarentegen hebben een zeer hoge magnetische permeabiliteit.
Dit betekent dat ferrietmateriaal bij blootstelling aan een magnetisch veld een zeer hoge mate van magnetisatie kan bereiken, beter dan alle andere vormen van magnetisch materiaal.
Een hogere magnetische permeabiliteit betekent een lagere hoeveelheid wervelstroom en lagere schakelverliezen. Een magnetisch materiaal heeft normaal gesproken de neiging wervelstroom op te wekken als reactie op een stijgende magnetische frequentie.
Naarmate de frequentie toeneemt, neemt ook de wervelstroom toe, waardoor het materiaal opwarmt en de spoelimpedantie toeneemt, wat leidt tot verdere schakelverliezen.
Ferrietkernen kunnen vanwege hun hoge magnetische permeabiliteit efficiënter werken met hogere frequenties, vanwege lagere wervelstromen en lagere schakelverliezen.
Nu denkt u misschien, waarom zou u geen lagere frequentie gebruiken, omdat dat omgekeerd zou helpen om wervelstromen te verminderen? Het lijkt geldig, maar een lagere frequentie zou ook betekenen dat het aantal beurten voor dezelfde transformator toeneemt.
Omdat hogere frequenties een proportioneel lager aantal windingen mogelijk maken, is de transformator kleiner, lichter en goedkoper. Daarom gebruikt SMPS een hoge frequentie.
Topologie van de omvormer
In omvormers met schakelaarmodus worden normaal gesproken twee soorten topologieën afgesloten: push-pull en Volledige brug De push-pull maakt gebruik van een centreerkraan voor de primaire wikkeling, terwijl de volledige brug uit één wikkeling bestaat voor zowel de primaire als de secundaire wikkeling.
In feite zijn beide topologieën push-pull van aard. In beide vormen wordt de wikkeling toegepast met een continu schakelende omgekeerde voorwaartse wisselstroom door de MOSFET's, oscillerend op de gespecificeerde hoge frequentie, en imiteert een push-pull-actie.
Het enige fundamentele verschil tussen de twee is dat de primaire zijde van de middenkraantransformator 2 keer meer windingen heeft dan de volledige brugtransformator.
Hoe de ferrietkernomvormertransformator te berekenen
Het berekenen van een ferrietkerntransformator is eigenlijk vrij eenvoudig, als je alle opgegeven parameters bij de hand hebt.
Voor de eenvoud proberen we de formule op te lossen door middel van een voorbeeldopstelling, laten we zeggen voor een transformator van 250 watt.
De stroombron is een 12 V-batterij. De frequentie voor het schakelen van de transformator is 50 kHz, een typisch cijfer voor de meeste SMPS-omvormers. We gaan ervan uit dat de output 310 V is, wat normaal gesproken de piekwaarde is van een 220V RMS.
Hier zal de 310 V zijn na rectificatie door een snel herstel brug gelijkrichter , en LC-filters. We selecteren de kern als ETD39.
Zoals we allemaal weten, wanneer een 12 V batterij wordt gebruikt, is de spanning nooit constant. Bij volledige lading is de waarde ongeveer 13 V, die blijft dalen naarmate de belasting van de omvormer stroom verbruikt, totdat de batterij uiteindelijk ontlaadt tot de laagste limiet, die doorgaans 10,5 V is.Dus voor onze berekeningen zullen we 10,5 V beschouwen als de voedingswaarde voor V. in (min)
Primaire afslagen
De standaardformule voor het berekenen van het primaire aantal beurten wordt hieronder gegeven:
N (eerste) V. in (znw.)x 108/ 4 x f X B. max. hoogteX NAAR c
Hier N (eerste)verwijst naar de primaire beurtnummers. Omdat we in ons voorbeeld een push-pull-topologie met een middenaftakking hebben geselecteerd, is het verkregen resultaat de helft van het totale aantal benodigde omwentelingen.
- Wijn (naam)= Gemiddelde ingangsspanning. Aangezien onze gemiddelde accuspanning 12V is, nemen we Wijn (naam)= 12.
- f = 50 kHz of 50.000 Hz. Het is de geprefereerde schakelfrequentie, zoals door ons geselecteerd.
- B. max. hoogte= Maximale fluxdichtheid in Gauss. In dit voorbeeld gaan we ervan uit B. max. hoogtein het bereik van 1300G tot 2000G liggen. Dit is de standaardwaarde van de meeste ferriet-transformatorkernen. Laten we in dit voorbeeld genoegen nemen met 1500G. Dus we hebben B. max. hoogte= 1500. Hogere waarden van B. max. hoogtewordt niet aanbevolen omdat dit ertoe kan leiden dat de transformator het verzadigingspunt bereikt. Omgekeerd lagere waarden van B. max. hoogtekan resulteren in onderbenutting van de kern.
- NAARc= Effectief dwarsdoorsnedegebied in cmtweeDeze informatie kan worden verzameld uit de datasheets van de ferrietkernen Mogelijk vindt u ook Acwordt gepresenteerd als AisVoor het geselecteerde kernnummer ETD39 is het effectieve doorsnedegebied dat in het gegevensblad wordt geleverd 125 mmtweeDat is gelijk aan 1,25 cmtweeDaarom hebben we, Ac= 1,25 voor ETD39.
De bovenstaande cijfers geven ons de waarden voor alle parameters die nodig zijn voor het berekenen van de primaire windingen van onze SMPS-omvormertransformator. Daarom krijgen we als we de respectieve waarden in de bovenstaande formule vervangen:
N (eerste) V. in (znw.)x 108/ 4 x f X B. max. hoogteX NAAR c
N (eerste)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (eerste)= 3,2
Aangezien 3,2 een fractionele waarde is en praktisch moeilijk te implementeren kan zijn, ronden we het af tot 3 beurten. Voordat we deze waarde definitief vastleggen, moeten we echter onderzoeken of de waarde van B. max. hoogteis nog steeds compatibel en binnen het acceptabele bereik voor deze nieuwe afgeronde waarde 3.
Omdat het verminderen van het aantal beurten een evenredige toename van de B. max. hoogte, daarom wordt het noodzakelijk om te controleren of de toegenomen B. max. hoogteis nog steeds binnen acceptabel bereik voor onze 3 primaire beurten.
Teller controleren B. max. hoogtedoor de volgende bestaande waarden te vervangen, krijgen we:
Wijn (naam)= 12, f = 50000, N Bij= 3, NAAR c= 1,25
B. max. hoogte V. in (znw.)x 108/ 4 x f X N (eerste)X NAAR c
B. max. hoogte= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B. max. hoogte= 1600
Zoals te zien is het nieuwe B. max. hoogtewaarde voor N (Bij)= 3 slagen ziet er prima uit en valt ruim binnen het acceptabele bereik. Dit houdt ook in dat, als je op enig moment zin hebt om het aantal N (eerste)bochten, moet u ervoor zorgen dat deze voldoet aan de overeenkomstige nieuwe B. max. hoogtewaarde.
Omgekeerd is het misschien mogelijk om eerst de B. max. hoogtevoor een gewenst aantal primaire windingen en pas vervolgens het aantal windingen aan op deze waarde door de andere variabelen in de formule op geschikte wijze te wijzigen.
Secundaire bochten
Nu we weten hoe we de primaire kant van een ferriet SMPS-invertertransformator moeten berekenen, is het tijd om naar de andere kant te kijken, dat is de secundaire kant van de transformator.
Aangezien de piekwaarde 310 V moet zijn voor de secundaire waarde, willen we dat de waarde behouden blijft voor het hele batterijspanningsbereik, beginnend bij 13 V tot 10,5 V.
We zullen ongetwijfeld een feedback systeem voor het handhaven van een constant uitgangsspanningsniveau, voor het tegengaan van lage accuspanning of stijgende belastingsstroomvariaties.
Maar hiervoor moet er een bovenmarge of hoofdruimte zijn om deze automatische regeling mogelijk te maken. Een marge van +20 V ziet er goed genoeg uit, daarom selecteren we de maximale uitgangspiekspanning als 310 + 20 = 330 V.
Dit betekent ook dat de transformator ontworpen moet zijn om 310 V uit te voeren bij de laagste accuspanning van 10,5.
Voor feedbackregeling gebruiken we normaal gesproken een zelfaanpassend PWM-circuit, dat de pulsbreedte verbreedt tijdens een lage of hoge batterijspanning, en proportioneel vernauwt tijdens geen belasting of optimale batterijomstandigheden.
Dit betekent, op lage batterijcondities de PWM moet zich automatisch aanpassen aan de maximale inschakelduur om de voorgeschreven 310 V-output te behouden. Deze maximale PWM kan worden verondersteld 98% van de totale inschakelduur te zijn.
Het gat van 2% wordt overgelaten voor de dode tijd. Dode tijd is de nulspanningskloof tussen elke frequentie van een halve cyclus, gedurende welke de MOSFET's of de specifieke voedingsapparaten volledig uitgeschakeld blijven. Dit zorgt voor gegarandeerde veiligheid en voorkomt doorschieten over de MOSFET's tijdens de overgangsperioden van de push-pull-cycli.
Daarom zal de ingangsspanning minimaal zijn wanneer de batterijspanning het minimumniveau bereikt, dat wil zeggen wanneer V. in V. in (min)= 10,5 V. Hierdoor zal de inschakelduur op zijn maximum 98% zijn.
De bovenstaande gegevens kunnen worden gebruikt voor het berekenen van de gemiddelde spanning (DC RMS) die nodig is voor de primaire zijde van de transformator om 310 V aan de secundaire zijde te genereren wanneer de batterij minimaal 10,5 V heeft. Hiervoor vermenigvuldigen we 98% met 10,5, zoals hieronder weergegeven:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, dit is de nominale spanning die onze primaire transformator zou moeten hebben.
Nu kennen we de maximale secundaire spanning die 330 V is, en we kennen ook de primaire spanning die 10,29 V is. Hierdoor kunnen we de verhouding van de twee kanten krijgen als: 330: 10,29 = 32,1.
Omdat de verhouding van de spanningswaarden 32,1 is, moet de windingsverhouding ook in hetzelfde formaat zijn.
Dit betekent x: 3 = 32,1, waarbij x = secundaire windingen, 3 = primaire windingen.
Als we dit oplossen, kunnen we snel het secundaire aantal beurten krijgen
Daarom is secundaire windingen = 96,3.
Het cijfer 96,3 is het aantal secundaire windingen dat we nodig hebben voor de voorgestelde ferriet-invertertransformator die we aan het ontwerpen zijn. Zoals eerder vermeld, omdat fractionele waarden praktisch moeilijk te implementeren zijn, ronden we het af tot 96 beurten.
Hiermee zijn onze berekeningen afgerond en ik hoop dat alle lezers hier zich hebben gerealiseerd hoe ze eenvoudig een ferriettransformator kunnen berekenen voor een specifiek SMPS-invertercircuit.
Hulpwikkeling berekenen
Een hulpwikkeling is een aanvullende wikkeling die een gebruiker nodig kan hebben voor een externe implementatie.
Laten we zeggen dat je naast de 330 V aan de secundaire kant een andere wikkeling nodig hebt om 33 V voor een LED-lamp te krijgen. We berekenen eerst de secundair: hulp draaiverhouding met betrekking tot de secundaire wikkeling 310 V-classificatie. De formule is:
NNAAR= Vsec/ (Vnaar de+ Vd
NNAAR= secundair: hulpverhouding, Vsec= Secundair geregelde gelijkgerichte spanning, Vnaar de= hulpspanning, Vd= Diode voorwaartse dropwaarde voor de gelijkrichterdiode. Omdat we hier een hogesnelheidsdiode nodig hebben, gebruiken we een schottky-gelijkrichter met een V.d= 0,5V
Het oplossen ervan geeft ons:
NNAAR= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, laten we het afronden op 9.
Laten we nu het aantal windingen afleiden dat nodig is voor de hulpwikkeling, we krijgen dit door de formule toe te passen:
Nnaar de= Nsec/ NNAAR
Waar Nnaar de= extra windingen, Nsec= secundaire windingen, NNAAR= hulpverhouding.
Van onze vorige resultaten hebben we Nsec= 96, en NNAAR= 9, als we deze in de bovenstaande formule vervangen, krijgen we:
Nnaar de= 96/9 = 10,66, afronden geeft ons 11 beurten. Dus om 33 V te krijgen, hebben we 11 beurten aan de secundaire kant nodig.
Op deze manier kunt u dus een hulpwikkeling naar eigen voorkeur dimensioneren.
Afsluiten
In dit bericht hebben we geleerd hoe we omvormer-transformatoren op basis van ferrietkern kunnen berekenen en ontwerpen, met behulp van de volgende stappen:
- Bereken primaire bochten
- Bereken secundaire bochten
- Bepaal en bevestig B. max. hoogte
- Bepaal de maximale secundaire spanning voor PWM-feedbackregeling
- Zoek de primaire secundaire wikkelverhouding
- Bereken het secundaire aantal beurten
- Bereken hulpwikkeling bochten
Met behulp van de bovengenoemde formules en berekeningen kan een geïnteresseerde gebruiker eenvoudig een aangepaste omvormer op basis van ferrietkern ontwerpen voor SMPS-toepassingen.
Voor vragen en twijfels kunt u het opmerkingenveld hieronder gebruiken, ik zal proberen het zo snel mogelijk op te lossen
Een paar: Typen Arduino-kaarten met specificaties Vervolg: Digitaal-naar-analoog (DAC), analoog-naar-digitaal (ADC) converters uitgelegd
