Ferrit Çekirdekli Transformatörler Nasıl Hesaplanır

Ferrit transformatörün hesaplanması, mühendislerin çeşitli sargı özelliklerini ve transformatörün çekirdek boyutunu çekirdek malzemesi olarak ferrit kullanarak değerlendirdiği bir süreçtir. Bu, belirli bir uygulama için mükemmel şekilde optimize edilmiş bir transformatör oluşturmalarına yardımcı olur.

Gönderi, özelleştirilmiş ferrit çekirdekli transformatörlerin nasıl hesaplanacağına ve tasarlanacağına ilişkin ayrıntılı bir açıklama sunar. İçeriğin anlaşılması kolaydır ve bu alanda çalışan mühendisler için çok kullanışlı olabilir. güç elektroniği ve SMPS inverterlerinin üretimi.

Yüksek Frekans Dönüştürücülerde Neden Ferrit Çekirdek kullanılır?

Tüm modern anahtar modlu güç kaynaklarında veya SMPS dönüştürücülerinde ferrit çekirdek kullanmanın arkasındaki nedeni sık sık merak etmiş olabilirsiniz. Doğru, demir çekirdekli güç kaynaklarına kıyasla daha yüksek verimlilik ve kompaktlık elde etmektir, ancak ferrit çekirdeklerin bu yüksek verimlilik ve kompaktlığı elde etmemize nasıl izin verdiğini bilmek ilginç olur mu?

Çünkü içinde demir çekirdekli transformatörler, demir malzeme, ferrit malzemeye göre çok daha düşük manyetik geçirgenliğe sahiptir. Buna karşılık, ferrit çekirdekler çok yüksek manyetik geçirgenliğe sahiptir.

Yani, bir manyetik alana maruz kaldığında, ferrit malzeme, diğer tüm manyetik malzeme biçimlerinden daha iyi, çok yüksek derecede mıknatıslanma elde edebilir.

Daha yüksek manyetik geçirgenlik, daha düşük miktarda girdap akımı ve daha düşük anahtarlama kayıpları anlamına gelir. Manyetik bir malzeme normalde yükselen bir manyetik frekansa yanıt olarak girdap akımı üretme eğilimindedir.

Frekans arttıkça, girdap akımı da artarak malzemenin ısınmasına ve bobin empedansının artmasına neden olarak daha fazla anahtarlama kayıplarına yol açar.

Ferrit çekirdekler, yüksek manyetik geçirgenlikleri nedeniyle, daha düşük girdap akımları ve daha düşük anahtarlama kayıpları nedeniyle daha yüksek frekanslarda daha verimli çalışabilmektedir.

Şimdi düşünebilirsiniz, tersine girdap akımlarını azaltmaya yardımcı olacağı için neden daha düşük frekans kullanmayasınız? Geçerli görünüyor, ancak daha düşük frekans, aynı transformatör için dönüş sayısının artması anlamına da gelecektir.

Daha yüksek frekanslar orantılı olarak daha düşük dönüş sayısına izin verdiğinden, transformatörün daha küçük, daha hafif ve daha ucuz olmasına neden olur. SMPS'nin yüksek frekans kullanmasının nedeni budur.

İnvertör Topolojisi

Anahtar modlu eviricilerde, normalde iki tür topoloji çıkar: itme-çekme ve Tam köprü . İtme çekme, birincil sargı için bir merkez musluğu kullanırken, tam köprü hem birincil hem de ikincil için tek bir sargıdan oluşur.

Aslında, her iki topoloji de doğası gereği itme çekmedir. Her iki biçimde de sargı, MOSFET'ler tarafından sürekli olarak anahtarlanan bir geri-ileri alternatif akımla uygulanır, belirtilen yüksek frekansta salınım yaparak bir itme-çekme hareketini taklit eder.

İkisi arasındaki tek temel fark, orta kademe transformatörünün birincil tarafının Tam köprü transformatöründen 2 kat daha fazla dönüş sayısına sahip olmasıdır.

Ferrit Çekirdekli İnvertör Transformatörü Nasıl Hesaplanır

Elinizde belirtilen tüm parametrelere sahipseniz, bir ferrit çekirdekli transformatörün hesaplanması aslında oldukça basittir.

Basit olması için, formülü 250 watt'lık bir transformatör için örnek bir kurulumla çözmeye çalışacağız.

Güç kaynağı 12 V'luk bir pil olacaktır. Transformatörü değiştirme frekansı, çoğu SMPS invertöründe tipik bir rakam olan 50 kHz olacaktır. Çıkışın, normalde 220V RMS'nin tepe değeri olan 310 V olduğunu varsayacağız.

Burada, 310 V hızlı bir kurtarma ile düzeltildikten sonra olacak köprü doğrultucu ve LC filtreleri. Çekirdeği ETD39 olarak seçiyoruz.

Hepimizin bildiği gibi 12 V akü kullanılır, voltajı asla sabit değildir. Tam şarjda, değer 13 V civarındadır ve bu, inverter yükü güç tüketirken, sonunda akü tipik olarak 10,5 V olan en düşük sınırına kadar deşarj olana kadar düşmeye devam eder. V _{(dk) içinde}.

Birincil Dönüşler

Birincil dönüş sayısını hesaplamak için standart formül aşağıda verilmiştir:

N _(ilk)= V _{in (isim)}x 10⁸/ 4 x f x B _maxx KİME _c

Buraya N _(ilk)birincil dönüş numaralarını ifade eder. Örneğimizde bir center tap push pull topolojisi seçtiğimiz için, elde edilen sonuç gerekli toplam dönüş sayısının yarısı olacaktır.

• Şarap _(Soyadı)= Ortalama Giriş Voltajı. Ortalama akü voltajımız 12V olduğu için, alalım Şarap _(Soyadı)= 12.
• f = 50 kHz veya 50.000 Hz. Tarafımızca seçilen tercih edilen anahtarlama frekansıdır.
• B _max= Gauss cinsinden maksimum akı yoğunluğu. Bu örnekte, varsayacağız B _max1300G ila 2000G aralığında olacak. Bu, çoğu ferrit esaslı transformatör göbeğinin standart değeridir. Bu örnekte, 1500G'ye yerleşelim. Böylece sahibiz B _max= 1500. Daha yüksek değerler B _maxtransformatörün doyma noktasına ulaşmasına neden olabileceğinden tavsiye edilmez. Tersine, daha düşük değerler B _maxçekirdeğin yeterince kullanılmamasına neden olabilir.
• KİME_c= Cm cinsinden Etkili Kesit Alanı^iki. Bu bilgiler toplanabilir ferrit çekirdeklerin veri sayfalarından . A'yı da bulabilirsiniz_cA olarak sunuluyor_dır-dir. Seçilen çekirdek numarası ETD39 için, veri sayfası sayfasında verilen etkili kesit alanı 125 mm'dir.^iki. Bu 1,25 cm'ye eşittir^iki. Bu nedenle, bir_c= ETD39 için 1,25.

Yukarıdaki şekiller bize SMPS inverter transformatörümüzün birincil dönüşlerini hesaplamak için gerekli tüm parametrelerin değerlerini verir. Bu nedenle, yukarıdaki formüldeki ilgili değerleri değiştirerek şunu elde ederiz:

N _(ilk)= V _{in (isim)}x 10⁸/ 4 x f x B _maxx KİME _c

N _(ilk)= 12 x 10⁸/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2

N _(ilk)= 3.2

3.2 kesirli bir değer olduğundan ve pratik olarak uygulanması zor olabileceğinden, bunu 3 tura yuvarlayacağız. Ancak, bu değeri sonlandırmadan önce, değerinin olup olmadığını araştırmalıyız. B _maxhala uyumludur ve bu yeni yuvarlanmış değer 3 için kabul edilebilir aralık içindedir.

Çünkü dönüş sayısının azaltılması, dönüşlerde orantılı bir artışa neden olacaktır. B _maxbu nedenle artmış olup olmadığını kontrol etmek zorunlu hale gelir. B _max3 birincil dönüşümüz için hala kabul edilebilir aralıkta.

Sayaç kontrolü B _maxaşağıdaki mevcut değerleri değiştirerek elde ederiz:
Şarap _(Soyadı)= 12, f = 50000, N _-de= 3, KİME _c= 1.25

B _max= V _{in (isim)}x 10⁸/ 4 x f x N _(ilk)x KİME _c

B _max= 12 x 10⁸/ 4 x 50000 x 3 x 1,25

B _max= 1600

Görüldüğü gibi yeni B _maxdeğeri N _(içinde)= 3 dönüş iyi görünüyor ve kabul edilebilir aralıkta. Bu aynı zamanda, eğer herhangi bir zamanda, sayısını değiştirmek isterseniz N _(ilk)döndüğünde, ilgili yeni ile uyumlu olduğundan emin olmalısınız. B _maxdeğer.

Tersine, ilk önce şunu belirlemek mümkün olabilir: B _maxistenen sayıda birincil dönüş için ve ardından formüldeki diğer değişkenleri uygun şekilde değiştirerek dönüş sayısını bu değere ayarlayın.

İkincil Dönüşler

Artık bir ferrit SMPS inverter transformatörünün birincil tarafını nasıl hesaplayacağımızı biliyoruz, diğer tarafa, yani transformatörün ikincil tarafına bakma zamanı.

İkincil için tepe değerin 310 V olması gerektiğinden, değerin 13 V ile 10,5 V arasında başlayan tüm pil voltaj aralığı için devam etmesini isteriz.

Hiç şüphe yok ki bir istihdam etmek zorunda kalacağız geri bildirim sistemi düşük akü voltajına veya artan yük akımı değişikliklerine karşı koymak için sabit bir çıkış voltajı seviyesini korumak için.

Ancak bunun için, bu otomatik kontrolü kolaylaştırmak için bir miktar üst marj veya boşluk olması gerekir. Bir +20 V marjı yeterince iyi görünüyor, bu nedenle maksimum çıkış tepe voltajını 310 + 20 = 330 V olarak seçiyoruz.

Bu aynı zamanda transformatörün en düşük 10,5 akü geriliminde 310 V çıkış verecek şekilde tasarlanması gerektiği anlamına gelir.

Geri besleme kontrolü için normalde, düşük pil veya yüksek yük sırasında darbe genişliğini genişleten ve yüksüz veya optimum pil koşullarında orantılı olarak daraltan kendi kendini ayarlayan bir PWM devresi kullanıyoruz.

Bu şu anlama gelir: düşük pil koşulları PWM, öngörülen 310 V çıkışı korumak için maksimum görev döngüsüne otomatik olarak ayarlanmalıdır. Bu maksimum PWM'nin toplam görev döngüsünün% 98'i olduğu varsayılabilir.

Ölü zaman için% 2 boşluk kalmıştır. Ölü zaman, MOSFET'lerin veya belirli güç cihazlarının tamamen kapalı kaldığı her yarım döngü frekansı arasındaki sıfır voltaj aralığıdır. Bu, garantili güvenlik sağlar ve itme çekme döngülerinin geçiş dönemlerinde MOSFET'ler boyunca atış yapılmasını önler.

Bu nedenle, batarya voltajı minimum seviyesine ulaştığında, yani giriş beslemesi minimum olacaktır. V _içinde= V _{(dk) içinde}= 10,5 V. Bu, görev döngüsünün maksimum% 98'de olmasını sağlar.

Yukarıdaki veriler, transformatörün birincil tarafında, pil minimum 10,5 V olduğunda sekonderde 310 V üretmesi için gereken ortalama voltajı (DC RMS) hesaplamak için kullanılabilir.Bunun için% 98'i 10,5 ile çarpıyoruz. aşağıda gösterilen:

0,98 x 10,5 V = 10,29 V, bu, transformatör primerimizin sahip olması gereken voltaj değeridir.

Şimdi, 330 V olan maksimum ikincil voltajı biliyoruz ve ayrıca 10.29 V olan birincil voltajı da biliyoruz. Bu, iki tarafın oranını 330: 10.29 = 32.1 olarak elde etmemizi sağlar.

Gerilim değerlerinin oranı 32.1 olduğundan, dönüş oranı da aynı formatta olmalıdır.

Anlamı, x: 3 = 32.1, burada x = ikincil dönüşler, 3 = birincil dönüşler.

Bunu çözerek hızlıca ikincil dönüş sayısını elde edebiliriz

Bu nedenle ikincil dönüşler = 96.3'tür.

Şekil 96.3, tasarladığımız önerilen ferrit invertör transformatörü için ihtiyaç duyduğumuz ikincil dönüş sayısıdır. Daha önce de belirtildiği gibi, kesirli değerlerin pratik olarak uygulanması zor olduğundan, bunu 96 dönüşe yuvarlıyoruz.

Bu, hesaplamalarımızı sonlandırıyor ve umarım buradaki tüm okuyucular, belirli bir SMPS inverter devresi için bir ferrit transformatörün nasıl basitçe hesaplanacağını anlamış olmalıdır.

Yardımcı Sargının Hesaplanması

Yardımcı bir sarım, bir kullanıcının bazı harici uygulama için ihtiyaç duyabileceği tamamlayıcı bir sarımdır.

Diyelim ki, sekonderdeki 330 V ile birlikte, bir LED lamba için 33 V almak için başka bir sargıya ihtiyacınız var. Önce hesaplıyoruz ikincil: yardımcı ikincil sargı 310 V değerine göre dönüş oranı. Formül şudur:

N_KİME= V_saniye/ (V_için+ V_d)

N_KİME= ikincil: yardımcı oran, V_saniye= İkincil düzenlenmiş doğrultulmuş voltaj, V_için= yardımcı gerilim, V_d= Doğrultucu diyot için diyot ileri düşme değeri. Burada yüksek hızlı bir diyota ihtiyacımız olduğundan, V ile bir schottky doğrultucu kullanacağız._d= 0.5V

Bunu çözmek bize şunları verir:

N_KİME= 310 / (33 + 0.5) = 9.25, bunu 9'a yuvarlayalım.

Şimdi yardımcı sargı için gerekli dönüş sayısını türetelim, aşağıdaki formülü uygulayarak bunu elde ederiz:

N_için= N_saniye/ N_KİME

Nerede N_için= yardımcı dönüşler, N_saniye= ikincil dönüşler, N_KİME= yardımcı oran.

Önceki sonuçlarımızdan N var_saniye= 96 ve N_KİME= 9, bunları yukarıdaki formülde değiştirerek şunu elde ederiz:

N_için= 96/9 = 10.66, yuvarlayın bize 11 tur verir. Yani 33 V elde etmek için ikincil tarafta 11 dönüşe ihtiyacımız olacak.

Bu şekilde, bir yardımcı sargıyı kendi tercihinize göre boyutlandırabilirsiniz.

Sarmak

Bu yazıda, aşağıdaki adımları kullanarak ferrit çekirdekli inverter transformatörlerin nasıl hesaplanacağını ve tasarlanacağını öğrendik:

• Birincil dönüşleri hesaplayın
• İkincil dönüşleri hesaplayın
• Belirleyin ve Onaylayın B _max
• PWM geri besleme kontrolü için maksimum ikincil voltajı belirleyin
• Birincil ikincil dönüş oranını bulun
• İkincil dönüş sayısını hesaplayın
• Yardımcı sargı dönüşlerini hesaplayın

Yukarıda belirtilen formülleri ve hesaplamaları kullanarak, ilgilenen bir kullanıcı, SMPS uygulaması için özelleştirilmiş bir ferrit çekirdek tabanlı invertörü kolayca tasarlayabilir.

Sorularınız ve şüpheleriniz için lütfen aşağıdaki yorum kutusunu kullanmaktan çekinmeyin, en kısa sürede çözmeye çalışacağım