Beräkning av ferrittransformator är en process där ingenjörer utvärderar de olika lindningsspecifikationerna och kärndimensionen hos transformatorn med användning av ferrit som kärnmaterial. Detta hjälper dem att skapa en perfekt optimerad transformator för en given applikation.
Inlägget presenterar en detaljerad förklaring om hur man beräknar och designar anpassade ferritkärntransformatorer. Innehållet är lätt att förstå och kan vara mycket praktiskt för ingenjörer som arbetar med kraftelektronik och tillverkning av SMPS-växelriktare.
Varför Ferritkärna används i högfrekventa omvandlare
Du kanske har undrat orsaken bakom användning av ferritkärnor i alla moderna strömbrytare eller SMPS-omvandlare. Det är rätt att uppnå högre effektivitet och kompakthet jämfört med järnkärnkraftförsörjningar, men det vore intressant att veta hur ferritkärnor gör det möjligt för oss att uppnå denna höga grad av effektivitet och kompakthet?
Det beror på att i järnkärntransformatorer, järnmaterialet har mycket sämre magnetisk permeabilitet än ferritmaterial. Däremot har ferritkärnor mycket hög magnetisk permeabilitet.
Betydelse, när det utsätts för ett magnetfält, kan ferritmaterial uppnå en mycket hög grad av magnetisering, bättre än alla andra former av magnetiskt material.
En högre magnetisk permeabilitet betyder lägre mängd virvelström och lägre kopplingsförluster. Ett magnetiskt material har normalt en tendens att generera virvelström som svar på en stigande magnetisk frekvens.
När frekvensen ökas ökar virvelströmmen också vilket orsakar uppvärmning av materialet och ökar spolimpedansen, vilket leder till ytterligare omkopplingsförluster.
Ferritkärnor kan på grund av sin höga magnetiska permeabilitet arbeta mer effektivt med högre frekvenser på grund av lägre virvelströmmar och lägre omkopplingsförluster.
Nu kanske du tänker, varför inte använda lägre frekvens eftersom det omvänt skulle hjälpa till att minska virvelströmmar? Det verkar giltigt, men lägre frekvens skulle också innebära att antalet varv ökas för samma transformator.
Eftersom högre frekvenser tillåter proportionellt lägre antal varv, blir transformatorn mindre, lättare och billigare. Det är därför SMPS använder en hög frekvens.
Inverter topologi
I växlaromkopplare går normalt två typer av topologiska utgångar: push-pull och Full bro . Push pull använder en mittkran för primärlindningen, medan hela bron består av en enda lindning för både primär och sekundär.
Egentligen är både topologin push-pull i naturen. I båda formerna appliceras lindningen med en kontinuerligt växlande växelström bakåt av MOSFET, oscillerande vid den angivna höga frekvensen, vilket imiterar en push-pull-åtgärd.
Den enda grundläggande skillnaden mellan de två är att den primära sidan av mittkranstransformatorn har två gånger fler varv än Full Bridge-transformatorn.
Hur man beräknar Ferrit Core Inverter Transformer
Att beräkna en ferritkärntransformator är faktiskt ganska enkelt om du har alla angivna parametrar i handen.
För enkelhetens skull försöker vi lösa formeln genom ett exempel på en konfiguration, låt oss säga för en 250 watt transformator.
Strömkällan kommer att vara ett 12 V batteri. Frekvensen för omkoppling av transformatorn kommer att vara 50 kHz, en typisk siffra för de flesta SMPS-omformare. Vi antar att utgången är 310 V, vilket normalt är toppvärdet för en 220V RMS.
Här kommer 310 V efter korrigering genom en snabb återställning Brygglikriktare och LC-filter. Vi väljer kärnan som ETD39.
Som vi alla vet, när en 12 V batteri används är dess spänning aldrig konstant. Vid full laddning är värdet cirka 13 V, vilket fortsätter att sjunka när växelriktarens belastning förbrukar ström tills batteriet slutligen laddas ur till sin lägsta gräns, vilket vanligtvis är 10,5 V. Så för våra beräkningar kommer vi att betrakta 10,5 V som matningsvärdet för V om (min).
Primära vändningar
Standardformeln för beräkning av det primära antalet varv ges nedan:
N (först)= V på (substantiv)x 108/ 4 x f x B maxx TILL c
Här N (först)avser de primära svängnumren. Eftersom vi i vårt exempel har valt en mittknappstryckningstopologi blir resultatet hälften av det totala antalet varv som krävs.
- Vin (efternamn)= Genomsnittlig ingångsspänning. Eftersom vår genomsnittliga batterispänning är 12V, låt oss ta Vin (efternamn)= 12.
- f = 50 kHz eller 50 000 Hz. Det är den önskade omkopplingsfrekvensen, som vi har valt.
- B max= Maximal flödestäthet i Gauss. I det här exemplet antar vi B maxatt ligga i intervallet 1300G till 2000G. Detta är standardvärdet för de flesta ferritbaserade transformatorhylsor. I det här exemplet ska vi sätta oss på 1500G. Så vi har B max= 1500. Högre värden på B maxrekommenderas inte eftersom detta kan leda till att transformatorn når mättnadspunkten. Omvänt, lägre värden på B maxkan leda till att kärnan är underutnyttjad.
- TILLc= Effektiv tvärsnittsarea i cmtvå. Denna information kan samlas in från datablad för ferritkärnor . Du kan också hitta Acpresenteras som Aär. För det valda kärnnumret ETD39 är den effektiva tvärsnittsarean i databladet 125 mmtvå. Det är lika med 1,25 cmtvå. Därför har vi, Ac= 1,25 för ETD39.
Ovanstående siffror ger oss värdena för alla parametrar som krävs för att beräkna de primära varv hos vår SMPS-invertertransformator. Därför ersätter vi respektive värden i ovanstående formel:
N (först)= V på (substantiv)x 108/ 4 x f x B maxx TILL c
N (först)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (först)= 3,2
Eftersom 3.2 är ett bråkvärde och kan vara svårt att implementera praktiskt, avrundar vi det till 3 varv. Innan vi slutför detta värde måste vi dock undersöka om värdet på B maxär fortfarande kompatibelt och inom acceptabelt intervall för detta nya avrundade värde 3.
För att minska antalet varv kommer att orsaka en proportionell ökning av B maxdärför blir det absolut nödvändigt att kontrollera om den ökade B maxligger fortfarande inom acceptabelt intervall för våra tre primära varv.
Motkontroll B maxgenom att ersätta följande befintliga värden får vi:
Vin (efternamn)= 12, f = 50000, N på= 3, TILL c= 1,25
B max= V på (substantiv)x 108/ 4 x f x N (först)x TILL c
B max= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B max= 1600
Som kan ses det nya B maxvärde för N (på)= 3 varv ser bra ut och ligger väl inom det acceptabla intervallet. Detta innebär också att du, när som helst, vill manipulera antalet N (först)måste du se till att den överensstämmer med motsvarande nya B maxvärde.
Motsatt kan det vara möjligt att först bestämma B maxför ett önskat antal primära varv och justera sedan antalet varv till detta värde genom att på lämpligt sätt ändra de andra variablerna i formeln.
Sekundära vändningar
Nu vet vi hur man beräknar den primära sidan av en ferrit SMPS-invertertransformator, det är dags att titta på den andra sidan, det vill säga transformatorns sekundär.
Eftersom toppvärdet måste vara 310 V för sekundären, skulle vi vilja att värdet ska bibehållas för hela batterispänningsområdet från 13 V till 10,5 V.
Vi måste utan tvekan anställa en återkopplingssystem för att upprätthålla en konstant utspänningsnivå, för att motverka låg batterispänning eller stigande belastningsströmvariationer.
Men för detta måste det finnas en övre marginal eller ett utrymme för att underlätta denna automatiska kontroll. En +20 V marginal ser tillräckligt bra ut, därför väljer vi den maximala utgångsspänningen som 310 + 20 = 330 V.
Detta innebär också att transformatorn måste utformas för att mata ut 310 V vid den lägsta 10,5 batterispänningen.
För återkopplingskontroll använder vi normalt en självjusterande PWM-krets, som vidgar pulsbredden vid lågt batteri eller hög belastning och minskar den proportionellt utan belastning eller optimala batteriförhållanden.
Detta betyder, vid förhållanden med lågt batteri PWM måste automatiskt justeras till maximal arbetscykel för att upprätthålla den föreskrivna 310 V-utgången. Denna maximala PWM kan antas vara 98% av den totala arbetscykeln.
Gapet på 2% är kvar för dödtiden. Dödtid är nollspänningsgapet mellan varje halvcykelfrekvens, under vilken MOSFET: erna eller de specifika kraftenheterna förblir helt avstängda. Detta garanterar garanterad säkerhet och förhindrar skjutning genom MOSFET under övergångsperioderna för push-pull-cyklerna.
Följaktligen kommer ingångsförsörjningen att vara minimal när batterispänningen når sin lägsta nivå, det är då V i= V om (min)= 10,5 V. Detta kommer att leda till att arbetscykeln är högst 98%.
Ovanstående data kan användas för att beräkna den genomsnittliga spänningen (DC RMS) som krävs för transformatorns primära sida för att generera 310 V vid sekundären, när batteriet är minst 10,5 V. För detta multiplicerar vi 98% med 10,5, som visas nedan:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, det här är den spänningsgrad som vår transformator primära ska ha.
Nu känner vi till den maximala sekundära spänningen som är 330 V, och vi känner också till den primära spänningen som är 10,29 V. Detta gör att vi kan få förhållandet mellan de två sidorna som: 330: 10,29 = 32,1.
Eftersom förhållandet mellan spänningsvärdena är 32,1, bör svängningsförhållandet också ha samma format.
Betydelse, x: 3 = 32,1, där x = sekundära varv, 3 = primära varv.
För att lösa detta kan vi snabbt få det sekundära antalet varv
Därför är sekundära svängar = 96,3.
Figur 96.3 är antalet sekundära varv som vi behöver för den föreslagna ferritomformartransformatorn som vi designar. Som nämnts tidigare eftersom fraktionsventiler är svåra att implementera praktiskt, avrundar vi den till 96 varv.
Detta avslutar våra beräkningar och jag hoppas att alla läsare här måste ha insett hur man helt enkelt beräknar en ferrittransformator för en specifik SMPS-inverterarkrets.
Beräkning av extralindning
En extralindning är en kompletterande lindning som en användare kan behöva för någon extern implementering.
Låt oss säga att du, tillsammans med 330 V vid sekundären, behöver en ny lindning för att få 33 V för en LED-lampa. Vi beräknar först sekundär: hjälp svängförhållande med avseende på sekundärlindning 310 V. Formeln är:
NTILL= Vsek/ (Vtill+ Vd)
NTILL= sekundär: hjälpförhållande, Vsek= Sekundärreglerad likriktad spänning, Vtill= hjälpspänning, V.d= Diod framåt släppvärde för likriktardioden. Eftersom vi behöver en höghastighetsdiod här kommer vi att använda en schottky-likriktare med en Vd= 0,5V
Att lösa det ger oss:
NTILL= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, låt oss avrunda den till 9.
Låt oss härleda antalet varv som krävs för hjälplindningen, vi får detta genom att tillämpa formeln:
Ntill= Nsek/ NTILL
Där Ntill= hjälpvarv, Nsek= sekundära varv, NTILL= hjälpförhållande.
Från våra tidigare resultat har vi Nsek= 96 och NTILL= 9, ersätter dessa i ovanstående formel får vi:
Ntill= 96/9 = 10,66, runda av ger oss 11 varv. Så för att få 33 V behöver vi 11 varv på sekundärsidan.
Så på detta sätt kan du dimensionera en extra lindning enligt dina egna önskemål.
Avslutar
I det här inlägget lärde vi oss hur man beräknar och designar ferritkärnbaserade växelriktartransformatorer med följande steg:
- Beräkna primära varv
- Beräkna sekundära varv
- Bestäm och bekräfta B max
- Bestäm maximal sekundärspänning för PWM-återkopplingskontroll
- Hitta primärt sekundärt svängförhållande
- Beräkna sekundärt antal varv
- Beräkna extra lindningsvarv
Med hjälp av ovan nämnda formler och beräkningar kan en intresserad användare enkelt designa en anpassad ferritkärnbaserad växelriktare för SMPS-applikation.
För frågor och tvivel är du välkommen att använda kommentarrutan nedan, jag ska försöka lösa tidigast
Tidigare: Typer av Arduino-kort med specifikationer Nästa: Digital-to-Analog (DAC), Analog-to-Digital (ADC) Converters Explained
