A ferritranszformátor kiszámítása olyan folyamat, amelyben a mérnökök kiértékelik a transzformátor különféle tekercselési specifikációit és magméretét, ferritet használva maganyagként. Ez segít abban, hogy tökéletesen optimalizált transzformátort hozzanak létre egy adott alkalmazáshoz.
A bejegyzés részletes magyarázatot ad arról, hogyan kell kiszámítani és megtervezni a testreszabott ferritmag transzformátorokat. A tartalom könnyen érthető, és nagyon hasznos lehet a mérnökök számára, akik a területen dolgoznak teljesítményelektronika és SMPS inverterek gyártása.
Miért használják a ferritmagot a nagyfrekvenciás átalakítókban?
Gyakran elgondolkodhatott azon az okon, amiért minden modern kapcsolóüzemű tápegységben vagy SMPS konverterben ferritmagokat használnak. Igaz, nagyobb hatékonyságot és tömörséget kell elérni a vasmagú tápegységekhez képest, de érdekes lenne tudni, hogy a ferritmagok hogyan képesek elérni ezt a magas fokú hatékonyságot és tömörséget?
Ez azért van, mert vasmagú transzformátorok, a vasanyag sokkal alacsonyabb mágneses permeabilitással rendelkezik, mint a ferrit anyag. Ezzel szemben a ferritmagok nagyon nagy mágneses permeabilitással rendelkeznek.
A mágneses mezőnek kitett ferrit anyag nagyon magas mágnesezési fokot képes elérni, jobb, mint a mágneses anyagok minden más formája.
A nagyobb mágneses permeabilitás azt jelenti, hogy alacsonyabb az örvényáram és alacsonyabb a kapcsolási veszteség. A mágneses anyag általában hajlamos örvényáramot generálni a növekvő mágneses frekvencia hatására.
A frekvencia növekedésével az örvényáram is növekszik, ami az anyag felmelegedését és a tekercs impedanciájának növekedését eredményezi, ami további kapcsolási veszteségekhez vezet.
A ferritmagok magas mágneses permeabilitása miatt hatékonyabban tudnak működni magasabb frekvenciákkal, az alacsonyabb örvényáram és az alacsonyabb kapcsolási veszteségek miatt.
Most azt gondolhatja, miért ne használna alacsonyabb frekvenciát, mivel ez fordítva segít csökkenteni az örvényáramokat? Úgy tűnik, hogy érvényes, azonban az alacsonyabb frekvencia azt is jelentené, hogy ugyanahhoz a transzformátorhoz növelje a fordulatok számát.
Mivel a magasabb frekvenciák arányosan alacsonyabb fordulatszámot tesznek lehetővé, a transzformátor kisebb, könnyebb és olcsóbb. Ezért az SMPS nagy frekvenciát használ.
Inverter topológia
Kapcsoló üzemmódú inverterekben általában kétféle topológia lép ki: push-pull és Teljes híd . A tolóhúzás középső csapot alkalmaz az elsődleges tekercseléshez, míg a teljes híd egyetlen tekercset tartalmaz mind az elsődleges, mind a másodlagos számára.
Valójában mindkét topológia push-pull jellegű. Mindkét formában a tekercset folyamatosan kapcsoló hátramenetes váltakozó árammal alkalmazzák a MOSFET-ek, a megadott magas frekvencián oszcillálva, nyomás-húzás műveletet imitálva.
Az egyetlen alapvető különbség a kettő között az, hogy a középső csapváltó elsődleges oldalán kétszer több fordulat van, mint a teljes híd transzformátornál.
Hogyan számoljuk ki a ferritmagú inverteres transzformátort
A ferritmag transzformátor kiszámítása valójában nagyon egyszerű, ha az összes megadott paraméter kézben van.
Az egyszerűség kedvéért megpróbáljuk megoldani a képletet egy felállított példán keresztül, mondjuk egy 250 wattos transzformátorhoz.
Az áramforrás 12 V-os akkumulátor lesz. A transzformátor kapcsolásának frekvenciája 50 kHz lesz, ez a legtöbb SMPS inverter jellemző jellemzője. Feltételezzük, hogy a kimenet 310 V, ami általában a 220 V RMS csúcsértéke.
Itt a 310 V gyors helyreállítással történő kijavítás után lesz híd egyenirányító és LC szűrők. A magot ETD39-nek választjuk.
Mint mindannyian tudjuk, amikor a 12 V-os akkumulátor használatos, a feszültség soha nem állandó. Teljes feltöltésnél az érték 13 V körül van, ami folyamatosan csökken, miközben az inverter terhelése energiát fogyaszt, míg végül az akkumulátor a legalacsonyabb határáig, azaz általában 10,5 V-ig lemerül. Számításainkhoz tehát 10,5 V-ot veszünk figyelembe V perc alatt.
Elsődleges fordulatok
Az elsődleges fordulatok számításának standard képlete az alábbiakban található:
N (első)= V (főnév)x 108./ 4 x f x B maxx NAK NEK c
Itt N (első)az elsődleges fordulási számokra utal. Mivel a példánkban egy középső csapot nyomó húzó topológiát választottunk, a kapott eredmény a szükséges összes fordulat felének felel meg.
- Bor (vezetéknév)= Átlagos bemeneti feszültség. Mivel átlagos akkumulátorfeszültségünk 12V, vegyük Bor (vezetéknév)= 12.
- f = 50 kHz vagy 50 000 Hz. Ez az általunk kiválasztott kapcsolási frekvencia.
- B max= Maximális fluxus sűrűség Gaus-ban. Ebben a példában feltételezzük B maxhogy az 1300G és 2000G között legyen. Ez a legtöbb ferrit alapú transzformátor mag standard értéke. Ebben a példában telepedjünk le 1500G-ra. Így van B max= 1500. Magasabb értékei B maxnem ajánlott, mivel ez a transzformátor telítettségi pontját érheti el. Ezzel szemben a B maxa mag kihasználatlanságát eredményezheti.
- NAK NEKc= Hatékony keresztmetszeti terület cm-benkét. Ez az információ összegyűjthető a ferritmagok adatlapjaiból . Találhatja az A-t iscA néven mutatják bevan. A kiválasztott ETD39 magszám esetében az adatlapon megadott effektív keresztmetszeti terület 125 mmkét. Ez egyenlő 1,25 cm-relkét. Ezért van, Ac= 1,25 az ETD39 esetében.
A fenti ábrák megadják az SMPS inverteres transzformátorunk elsődleges fordulatainak kiszámításához szükséges paraméterek értékeit. Ezért a megfelelő képleteknek a fenti képlettel való helyettesítésével a következőket kapjuk:
N (első)= V (főnév)x 108./ 4 x f x B maxx NAK NEK c
N (első)= 12 x 108./ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (első)= 3,2
Mivel a 3,2 töredékérték, és gyakorlatilag nehéz megvalósítani, ezért 3 fordulóra kerekítjük. Mielőtt azonban véglegesítenénk ezt az értéket, meg kell vizsgálnunk, hogy az érték értéke vagy sem B maxtovábbra is kompatibilis és elfogadható tartományon belül van ennek az új, lekerekített értéknek 3.
Mivel a fordulatok számának csökkentése arányos növekedést okoz a B max, ezért elengedhetetlenné válik annak ellenőrzése, hogy a megnövekedett-e B maxmég mindig elfogadható tartományon belül van a 3 elsődleges fordulatnál.
Pultellenőrzés B maxa következő meglévő értékek helyettesítésével kapjuk:
Bor (vezetéknév)= 12, f = 50000, N nál nél= 3, NAK NEK c= 1,25
B max= V (főnév)x 108./ 4 x f x N (első)x NAK NEK c
B max= 12 x 108./ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B max= 1600
Mint látható az új B maxértéke N (nál nél)= 3 fordulat jól néz ki, és jóval az elfogadható tartományon belül van. Ez azt is jelenti, hogy ha bármikor kedve támad manipulálni a számát N (első)fordul, győződjön meg arról, hogy megfelel-e a megfelelő újnak B maxérték.
Ezzel szemben lehet, hogy először meghatározzuk a B maxkívánt számú elsődleges fordulathoz, majd a fordulatszámot ehhez az értékhez állítsa be a képlet többi változójának megfelelő módosításával.
Másodlagos fordulatok
Most már tudjuk, hogyan kell kiszámítani a ferrit SMPS inverter transzformátor elsődleges oldalát, itt az ideje, hogy megvizsgáljuk a másik oldalt, vagyis a transzformátor másodlagos oldalát.
Mivel a csúcsértéknek 310 V-nak kell lennie a szekunder számára, azt szeretnénk, ha az érték fennmaradna az akkumulátor teljes feszültségtartományában, 13 V és 10,5 V között.
Kétségtelen, hogy alkalmaznunk kell a visszacsatolási rendszer az állandó kimeneti feszültségszint fenntartásához, az akkumulátor alacsony feszültségének vagy a növekvő terhelési áramváltozások ellensúlyozásához.
Ehhez azonban rendelkeznie kell valamilyen felső margóval vagy fejtérrel az automatikus vezérlés megkönnyítésére. A +20 V-os margó elég jól néz ki, ezért a maximális kimeneti csúcsfeszültséget 310 + 20 = 330 V-nak választjuk.
Ez azt is jelenti, hogy a transzformátort úgy kell megtervezni, hogy 310 V-ot adjon ki a legkisebb 10,5 akkumulátorfeszültség mellett.
A visszacsatolás vezérléséhez általában egy önbeálló PWM áramkört alkalmazunk, amely alacsony impulzus vagy nagy terhelés esetén kiszélesíti az impulzusszélességet, és terhelés nélküli vagy optimális akkumulátoros körülmények között arányosan szűkül.
Ez azt jelenti, hogy alacsony az akkumulátor állapota a PWM-nek automatikusan beállítania kell a maximális üzemi ciklust, a 310 V-os előírt teljesítmény fenntartása érdekében. Ez a maximális PWM feltételezhető, hogy a teljes munkaciklus 98% -a.
A 2% -os rés a holtidőre marad. A holtidő az egyes félciklus-frekvenciák közötti nulla feszültségkülönbség, amely alatt a MOSFET-ek vagy az adott tápegységek teljesen kikapcsolva maradnak. Ez garantálja a garantált biztonságot és megakadályozza a MOSFET-eken történő lövöldözéseket a push pull ciklusok átmeneti időszakaiban.
Ezért a bemeneti tápellátás akkor lesz minimális, ha az akkumulátor feszültsége eléri a minimális szintet, vagyis amikor V ban ben= V perc alatt= 10,5 V. Ez arra készteti a munkaciklust, hogy a maximális 98% legyen.
A fenti adatok felhasználhatók a transzformátor elsődleges oldalához szükséges átlagos feszültség (DC RMS) kiszámításához, amely 310 V-ot generál a szekunderben, amikor az akkumulátor minimum 10,5 V. Ehhez 98% -ot megszorzunk 10,5-rel, lásd alább:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, feltételezzük, hogy ennek a feszültségnek a transzformátorunk elsődleges értéke legyen.
Most már tudjuk a maximális szekunder feszültséget, amely 330 V, és ismerjük az elsődleges feszültséget is, amely 10,29 V. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a két oldal arányát a következőképpen kapjuk meg: 330: 10,29 = 32,1.
Mivel a feszültségértékek aránya 32,1, a fordulási aránynak is ugyanabban a formátumban kell lennie.
Jelentése: x: 3 = 32,1, ahol x = másodlagos fordulatok, 3 = elsődleges fordulatok.
Ennek megoldásával gyorsan megkapjuk a másodlagos fordulatok számát
Ezért a másodlagos fordulatok értéke = 96,3.
A 96.3 ábra az általunk tervezett ferrit inverter transzformátorhoz szükséges szekunder fordulatok száma. Amint azt korábban elmondtuk, mivel a tört tömböket gyakorlatilag nehéz megvalósítani, 96 fordulatra kerekítjük.
Ezzel befejezzük számításainkat, és remélem, hogy az összes itt olvasható olvasónak rá kell jönnie, hogyan lehet egyszerűen kiszámítani a ferrit transzformátort egy adott SMPS inverter áramkörhöz.
A kiegészítő tekercselés kiszámítása
A kiegészítő tekercselés egy kiegészítő tekercselés, amelyre a felhasználónak szüksége lehet valamilyen külső megvalósításhoz.
Tegyük fel, hogy a másodlagos 330 V mellett egy másik tekercsre van szükség, hogy 33 V-ot kapjon egy LED-es lámpához. Először kiszámoljuk a másodlagos: kisegítő fordulatszám a 310 V szekunder tekercshez viszonyítva. A képlet:
NNAK NEK= Vsec/ (Vhoz+ Vd)
NNAK NEK= másodlagos: kiegészítő arány, Vsec= Szekunder szabályozott egyenirányított feszültség, Vhoz= segédfeszültség, Vd= Dióda előrejelzési értéke az egyenirányító diódának. Mivel itt nagy sebességű diódára van szükségünk, V-vel ellátott schottky egyenirányítót fogunk használnid= 0,5 V
Megoldása megadja:
NNAK NEK= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, kerekítsük le 9-re.
Most derítsük ki a kiegészítő tekercseléshez szükséges fordulatok számát, ezt a képlet alkalmazásával kapjuk meg:
Nhoz= Nsec/ NNAK NEK
Ahol Nhoz= segédfordulatok, Nsec= másodlagos fordulatok, NNAK NEK= kiegészítő arány.
Korábbi eredményeinkből Nsec= 96, és NNAK NEK= 9, ezeket a fenti képlettel helyettesítve kapjuk:
Nhoz= 96/9 = 10,66, kerekítve 11 fordulatot kapunk. Tehát ahhoz, hogy 33 V-ot kapjunk, 11 fordulatra lesz szükségünk a másodlagos oldalon.
Tehát ilyen módon a saját preferenciáinak megfelelően méretezhet egy segédtekercset.
Csomagolás
Ebben a bejegyzésben megtanultuk, hogyan kell kiszámítani és megtervezni a ferritmag alapú inverter transzformátorokat a következő lépésekkel:
- Számolja ki az elsődleges fordulatokat
- Számítsa ki a másodlagos fordulatokat
- Határozza meg és erősítse meg B max
- Határozza meg a PWM visszacsatolás vezérlésének maximális szekunder feszültségét
- Keresse meg az elsődleges másodlagos fordulati arányt
- Számolja ki a másodlagos fordulatok számát
- Számolja ki a kiegészítő tekercseléseket
A fent említett képletek és számítások segítségével egy érdeklődő felhasználó könnyen megtervezhet egy testreszabott ferritmag alapú invertert az SMPS alkalmazáshoz.
Kérdéseivel és kétségeivel nyugodtan használja az alábbi megjegyzés mezőt, amelyet megpróbálok leghamarabb megoldani
Előző: Arduino táblák típusai specifikációkkal Következő: A digitális-analóg (DAC), az analóg-digitális (ADC) átalakítók magyarázata
