Izračun feritnega transformatorja je postopek, pri katerem inženirji ocenijo različne specifikacije navijanja in dimenzije jedra transformatorja, pri čemer uporabljajo ferit kot jedro materiala. To jim pomaga ustvariti popolnoma optimiziran transformator za določeno aplikacijo.
Prispevek predstavlja podrobno razlago glede izračuna in oblikovanja prilagojenih feritnih transformatorjev. Vsebina je lahko razumljiva in je lahko zelo priročna za inženirje, ki se ukvarjajo s tem področjem močnostna elektronika in proizvodnja pretvornikov SMPS.
Zakaj se feritno jedro uporablja v visokofrekvenčnih pretvornikih
Morda ste se pogosto spraševali, zakaj je v vseh sodobnih napajalnih napajalnikih ali pretvornikih SMPS uporabljena feritna jedra. Prav je, da želimo doseči večjo učinkovitost in kompaktnost v primerjavi z napajalniki iz jedra iz železa, vendar bi bilo zanimivo vedeti, kako nam feritna jedra omogočajo to visoko stopnjo učinkovitosti in kompaktnosti?
To je zato, ker v železni jedrni transformatorji, material iz železa ima veliko slabšo magnetno prepustnost kot feritni material. V nasprotju s tem imajo feritna jedra zelo visoko magnetno prepustnost.
Kar pomeni, da lahko feritni material, izpostavljen magnetnemu polju, doseže zelo visoko stopnjo magnetizacije, boljšo od vseh drugih oblik magnetnega materiala.
Večja magnetna prepustnost pomeni manjšo količino vrtinčnega toka in nižje preklopne izgube. Magnetni material običajno teži k ustvarjanju vrtinčnega toka kot odziv na naraščajočo magnetno frekvenco.
S povečanjem frekvence se tudi vrtinčni tok poveča, kar povzroči segrevanje materiala in povečanje impedance tuljave, kar vodi do nadaljnjih preklopnih izgub.
Feritna jedra zaradi svoje visoke magnetne prepustnosti lahko učinkoviteje delujejo z višjimi frekvencami, zaradi nižjih vrtinčnih tokov in manjših preklopnih izgub.
Zdaj si morda mislite, zakaj ne bi uporabili nižje frekvence, saj bi to nasprotno pomagalo zmanjšati vrtinčne tokove? Zdi se veljavno, vendar bi nižja frekvenca pomenila tudi povečanje števila obratov istega transformatorja.
Ker višje frekvence omogočajo sorazmerno manjše število obratov, je transformator manjši, lažji in cenejši. Zato SMPS uporablja visoko frekvenco.
Topologija pretvornika
V razsmernikih pretvornikov običajno izstopata dve vrsti topologije: push-pull in Polni most . Potisni vlek uporablja sredinsko pipo za primarno navitje, medtem ko je celotni most sestavljen iz enojnega navitja tako za primarni kot za sekundarni.
Pravzaprav sta obe topologiji push-pull. V obeh oblikah navitje MOSFET-ji neprekinjeno preklapljajo izmenični tok vzvratno naprej, ki niha pri določeni visoki frekvenci in posnema potisno dejanje.
Edina temeljna razlika med obema je, da ima primarna stran sredinskega transformatorja dvakrat več zavojev kot transformator s polnim mostom.
Kako izračunati pretvornik pretvornika feritnega jedra
Izračun feritnega jedra transformatorja je pravzaprav precej preprost, če imate vse določene parametre v roki.
Za poenostavitev bomo skušali formulo rešiti s primerom, recimo za 250-vatni transformator.
Vir energije bo 12 V baterija. Frekvenca preklopa transformatorja bo 50 kHz, kar je značilno za večino pretvornikov SMPS. Predpostavili bomo, da je izhod 310 V, kar je običajno najvišja vrednost 220 V RMS.
Tu bo 310 V po popravku s hitrim okrevanjem mostni usmernik in LC filtri. Izbrali smo jedro kot ETD39.
Kot vsi vemo, ko a 12 V baterija napetost ni nikoli konstantna. Pri polni napolnjenosti je vrednost približno 13 V, kar pada, ko obremenitev pretvornika porablja energijo, dokler se baterija na koncu ne izprazni do najnižje meje, ki je običajno 10,5 V. Torej bomo za naše izračune upoštevali 10,5 V kot napajalno vrednost za V v (min).
Primarni zavoji
Standardna formula za izračun primarnega števila obratov je podana spodaj:
N (prvi)= V v (samostalnik)x 108./ 4 x f x B maksx TO c
Tukaj N (prvi)se nanaša na primarne številke zavojev. Ker smo v našem primeru izbrali topologijo potiskanja s sredinskim dotikom, bo dobljeni rezultat ena polovica celotnega števila zavojev.
- Vino (priimek)= Povprečna vhodna napetost. Ker je naša povprečna napetost akumulatorja 12V, vzemimo Vino (priimek)= 12.
- f = 50 kHz ali 50.000 Hz. To je prednostna preklopna frekvenca, kot smo jo izbrali.
- B maks= Največja gostota pretoka v Gaussu. V tem primeru bomo domnevali B maksv območju od 1300G do 2000G. To je standardna vrednost večine transformatorskih jeder na osnovi ferita. V tem primeru se ustavimo pri 1500G. Tako smo B maks= 1500. Višje vrednosti B maksni priporočljivo, saj lahko to povzroči, da transformator doseže točko nasičenja. Nasprotno pa nižje vrednosti B makslahko povzroči, da se jedro premalo uporablja.
- TOc= Efektivna površina preseka v cmdva. Te podatke je mogoče zbirati iz podatkovnih listov feritnih jeder . Lahko najdete tudi Acpredstavljen kot Aje. Za izbrano jedrno številko ETD39 je efektivna površina preseka, podana v obrazcu, 125 mmdva. To je enako 1,25 cmdva. Torej imamo, Ac= 1,25 za ETD39.
Zgornje številke nam dajejo vrednosti za vse parametre, potrebne za izračun primarnih obratov našega pretvornika SMPS pretvornika. Zato z nadomestitvijo ustreznih vrednosti v zgornji formuli dobimo:
N (prvi)= V v (samostalnik)x 108./ 4 x f x B maksx TO c
N (prvi)= 12 x 108./ 4 x 50000 x 1500 x 1.2
N (prvi)= 3,2
Ker je 3.2 delna vrednost in jo je težko praktično izvesti, jo zaokrožimo na 3 zavoje. Preden pa dokončno določimo to vrednost, moramo raziskati, ali je vrednost B maksje še vedno združljiv in znotraj sprejemljivega obsega za to novo zaokroženo vrednost 3.
Ker bo zmanjšanje števila obratov povzročilo sorazmerno povečanje B maks, zato je nujno preveriti, ali se poveča B maksje še vedno v sprejemljivem območju za naša 3 primarna zavoja
Preverjanje števca B maksz nadomestitvijo naslednjih obstoječih vrednosti dobimo:
Vino (priimek)= 12, f = 50000, N pri= 3, TO c= 1,25
B maks= V v (samostalnik)x 108./ 4 x f x N (prvi)x TO c
B maks= 12 x 108./ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B maks= 1600
Kot je razvidno novo B maksvrednost za N (pri)= 3 obrata je videti v redu in je v sprejemljivem območju. To tudi pomeni, da če želite kadar koli manipulirati s številom N (prvi)obrne, se prepričajte, da ustreza ustreznemu novemu B maksvrednost.
Nasprotno pa je mogoče najprej določiti B maksza želeno število primarnih obratov in nato prilagodite število obratov tej vrednosti z ustreznim spreminjanjem drugih spremenljivk v formuli.
Sekundarni zavoji
Zdaj vemo, kako izračunati primarno stran feritnega pretvornika SMPS, čas je, da pogledamo na drugo stran, ki je sekundarna transformatorja.
Ker mora biti najvišja vrednost 310 V za sekundarno, bi želeli, da se vrednost ohrani za celotno območje napetosti akumulatorja od 13 V do 10,5 V.
Brez dvoma bomo morali zaposliti a sistem povratnih informacij za vzdrževanje konstantne ravni izhodne napetosti, za preprečevanje nizke napetosti akumulatorja ali naraščajočih sprememb toka obremenitve.
Toda za to mora biti nekaj zgornjega roba ali prostora za lažji samodejni nadzor. Rob +20 V je videti dovolj dobro, zato izberemo največjo izhodno napetost kot 310 + 20 = 330 V.
To tudi pomeni, da mora biti transformator zasnovan tako, da oddaja 310 V pri najnižji napetosti akumulatorja 10,5.
Za nadzor povratnih informacij običajno uporabljamo samonastavljivo vezje PWM, ki širi impulzno širino med nizko baterijo ali veliko obremenitvijo in jo sorazmerno zoži med brez obremenitve ali v optimalnih pogojih baterije.
To pomeni, pri stanje prazne baterije PWM se mora samodejno prilagoditi na največji obratovalni cikel, da ohrani predpisani izhod 310 V. Za ta največji PWM lahko domnevamo, da znaša 98% celotnega delovnega cikla.
2-odstotna razlika je ostala za mrtve čase. Mrtvi čas je ničelna napetostna vrzel med vsako frekvenco pol cikla, med katero ostanejo MOSFET-ji ali določene napajalne naprave popolnoma izklopljeni. To zagotavlja zajamčeno varnost in preprečuje preboj skozi MOSFET-je v prehodnih obdobjih potisnih ciklov.
Zato bo vhodno napajanje minimalno, ko napetost akumulatorja doseže najnižjo raven, torej takrat V v= V v (min)= 10,5 V. To bo povzročilo, da bo delovni cikel največ 98%.
Zgornje podatke lahko uporabimo za izračun povprečne napetosti (enosmerne efektivne vrednosti), ki je potrebna za primarno stran transformatorja, da ustvari 310 V na sekundaru, ko je baterija najmanj 10,5 V. Za to pomnožimo 98% z 10,5, kot je prikazano spodaj:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, to naj bi bila napetost, ki bi jo moral imeti naš primarni transformator.
Zdaj poznamo največjo sekundarno napetost, ki je 330 V, in poznamo tudi primarno napetost, ki je 10,29 V. To nam omogoča, da dobimo razmerje obeh strani kot: 330: 10,29 = 32,1.
Ker je razmerje med napetostjo 32,1, mora biti razmerje obratov tudi v enaki obliki.
Pomen, x: 3 = 32,1, kjer je x = sekundarni zavoj, 3 = primarni zavoj.
Če to rešimo, lahko hitro dobimo sekundarno število obratov
Zato je sekundarni zavoj = 96,3.
Slika 96.3 je število sekundarnih obratov, ki jih potrebujemo za predlagani feritni pretvornik, ki ga načrtujemo. Kot smo že omenili, ker je delne vale težko praktično izvesti, jo zaokrožimo na 96 obratov.
S tem smo zaključili naše izračune in upam, da so vsi bralci tukaj morali vedeti, kako preprosto izračunati feritni transformator za določeno vezje pretvornika SMPS.
Izračun pomožnega navijanja
Pomožno navitje je dodatno navitje, ki ga uporabnik potrebuje za neko zunanjo izvedbo.
Recimo, da skupaj z 330 V na sekundarju potrebujete še eno navitje, da dobite 33 V za LED žarnico. Najprej izračunamo sekundarno: pomožno razmerje obratov glede na sekundarno navitje 310 V. Formula je:
NTO= Vsek/ (Vdo+ Vd)
NTO= sekundarno: pomožno razmerje, Vsek= Sekundarno regulirana usmerjena napetost, Vdo= pomožna napetost, Vd= Spodnja vrednost diode za usmerniško diodo. Ker tu potrebujemo visokohitrostno diodo, bomo uporabili Schottky usmernik z Vd= 0,5V
Reševanje nam daje:
NTO= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, zaokrožimo na 9.
Zdaj izpeljimo število obratov, potrebnih za pomožno navitje, to dobimo z uporabo formule:
Ndo= Nsek/ NTO
Kjer je Ndo= pomožni zavoji, Nsek= sekundarni zavoji, NTO= pomožno razmerje.
Iz naših prejšnjih rezultatov imamo Nsek= 96 in NTO= 9, če jih nadomestimo v zgornji formuli, dobimo:
Ndo= 96/9 = 10,66, zaokroži nam 11 obratov. Torej, da dobimo 33 V, bomo potrebovali 11 obratov na sekundarni strani.
Tako lahko na svoj način dimenzionirate pomožno navitje.
Zavijanje
V tej objavi smo se naučili, kako izračunati in načrtovati pretvornike na osnovi feritnega jedra z uporabo naslednjih korakov:
- Izračunajte primarne zavoje
- Izračunajte sekundarne zavoje
- Določite in potrdite B maks
- Določite največjo sekundarno napetost za nadzor povratnih informacij PWM
- Poiščite razmerje primarnih sekundarnih obratov
- Izračunajte sekundarno število obratov
- Izračunajte zavoje pomožnega navijanja
Z uporabo zgoraj omenjenih formul in izračunov lahko zainteresirani uporabnik enostavno oblikuje prilagojeni pretvornik na osnovi feritnega jedra za uporabo SMPS.
Za vprašanja in dvome vas prosimo, da uporabite spodnje polje za komentar, poskušal bom rešiti čim prej
Prejšnja: Vrste plošč Arduino s specifikacijami Naprej: Pojasnjeni digitalno-analogni (DAC), analogno-digitalni (ADC) pretvorniki
