Como calcular transformadores de núcleo de ferrite »WikiUtil

O cálculo do transformador de ferrite é um processo no qual os engenheiros avaliam as várias especificações de enrolamento e a dimensão do núcleo do transformador, usando ferrita como material do núcleo. Isso os ajuda a criar um transformador perfeitamente otimizado para uma aplicação específica.

O post apresenta uma explicação detalhada sobre como calcular e projetar transformadores de núcleo de ferrite personalizados. O conteúdo é fácil de entender e pode ser muito útil para engenheiros dedicados à área de eletrônica de potência e fabricação de inversores SMPS.

Calcular transformadores de ferrite para inversores e SMPS

Por que o Ferrite Core é usado em conversores de alta frequência

Muitas vezes você deve ter se perguntado o motivo por trás do uso de núcleos de ferrite em todas as fontes de alimentação modernas ou comutadores SMPS. Correto é obter maior eficiência e compacidade em comparação com as fontes de alimentação com núcleo de ferro, mas seria interessante saber como os núcleos de ferrite nos permitem alcançar esse alto grau de eficiência e compacidade.

Isso ocorre porque nos transformadores de núcleo de ferro o material de ferro tem permeabilidade magnética muito menor do que o material de ferrita. Por outro lado, os núcleos de ferrita têm uma permeabilidade magnética muito alta.

Ou seja, quando submetido a um campo magnético, o material de ferrita é capaz de alcançar um alto grau de magnetização, melhor do que todas as outras formas de material magnético.

Maior permeabilidade magnética significa menos corrente de Foucault e menores perdas de comutação. Um material magnético normalmente tem uma tendência para gerar correntes de Foucault em resposta a uma frequência magnética crescente.


À medida que a frequência aumenta, a corrente de Foucault também aumenta, causando aquecimento do material e aumento da impedância da bobina, levando a mais perdas de comutação.

Os núcleos de ferrita, devido à sua alta permeabilidade magnética, podem operar com mais eficiência em frequências mais altas, devido a menores correntes parasitas e menores perdas de comutação.

Agora você pode pensar: por que não usar uma frequência mais baixa, pois isso ajudaria a reduzir as correntes de Foucault? Parece válido, no entanto, uma frequência mais baixa também significaria aumentar o número de voltas para o mesmo transformador.

Como as frequências mais altas permitem um número proporcionalmente menor de voltas, o transformador é menor, mais leve e mais barato. É por isso que o SMPS usa uma alta frequência.

Topologia do inversor

Nos inversores de modo de comutação, normalmente existem dois tipos de saídas de topologia: push-pull e ponte completa. O push pull usa uma derivação central para o enrolamento primário, enquanto a ponte completa consiste em um único enrolamento para o primário e o secundário.

Na realidade, ambas as topologias são de natureza push-pull. Em ambas as formas, o enrolamento é aplicado com uma corrente alternada reversa para frente continuamente comutada pelos MOSFETs, que oscilam na alta frequência especificada, imitando uma ação push-pull.

A única diferença fundamental entre os dois é que o lado primário do transformador de bypass central tem 2 vezes mais voltas do que o transformador de ponte completo.

Como calcular o transformador de inversor de núcleo de ferrite

O cálculo de um transformador de núcleo de ferrite é realmente bastante simples, se você tiver todos os parâmetros especificados manualmente.

Por uma questão de simplicidade, tentaremos resolver a fórmula por meio de um exemplo de configuração, por exemplo, para um transformador de 250 watts.

A fonte de alimentação será uma bateria de 12 V. A frequência de comutação do transformador será de 50 kHz, uma figura típica na maioria dos inversores SMPS. Assumiremos que a saída é de 310V, que normalmente é o valor máximo de um 220V RMS.

Aqui, o 310V será após a retificação através de uma ponte retificadora de recuperação rápida e filtros LC. Selecionamos o núcleo como ETD39.

Como todos sabemos, ao usar uma bateria de 12V, sua voltagem nunca é constante. Em carga máxima, o valor é de cerca de 13 V, que continua a cair à medida que a carga do inversor consome energia, até que finalmente a bateria é descarregada até seu limite mais baixo, que geralmente é de 10,5 V. para nossos cálculos, consideraremos 10,5 V como o valor de fornecimento para Vem (min) .

Curvas primárias

A fórmula padrão para calcular o número primário de voltas é dada abaixo:

norte(prim) = Vem (nom) x 108 / 4 x F X simmax X UMAC

aqui norte(prim) refere-se aos números do turno principal. Dado que, em nosso exemplo, selecionamos uma topologia push pull central, o resultado obtido será metade do número total de voltas necessárias.

  • Vin(nom) = Tensão média de entrada. Como a tensão média da bateria é de 12V, vamos dar Vin(nom) = 12.
  • F = 50 kHz ou 50.000 Hz. É a frequência de comutação preferida, selecionada por nós.
  • simmax = Densidade máxima de fluxo em Gauss. Neste exemplo, assumiremos simmax estar na faixa de 1300G a 2000G. Esse é o valor padrão para a maioria dos núcleos de transformadores baseados em ferrite. Neste exemplo, vamos configurá-lo para 1500G. Então nós temos simmax = 1500. Valores mais altos de simmax não é recomendado, pois isso pode fazer com que o transformador alcance o ponto de saturação. Por outro lado, valores mais baixos de simmax isso pode causar a subutilização do kernel.
  • UMAC = Área de seção transversal efetiva em cm2. Essas informações podem ser coletadas nas folhas de dados do núcleo de ferrite. Você também pode encontrar AC ser apresentado como Amim. Para o número de núcleo selecionado ETD39, a área de seção efetiva fornecida na folha de dados é de 125 mm2. Isso é igual a 1,25 cm2. Portanto, temos, AC = 1,25 para ETD39.

As figuras acima fornecem os valores para todos os parâmetros necessários para calcular as voltas primárias do nosso transformador SMPS. Portanto, substituindo os respectivos valores na fórmula anterior, obtemos:

norte(prim) = Vem (nom) x 108 / 4 x F X simmax X UMAC

norte(prim) = 12 x 108 / 4 x 50000 x 1500 x 1,2

norte(prim) = 3,2

Como 3.2 é um valor fracionário e pode ser difícil de implementar na prática, arredondaremos para três turnos. Entretanto, antes de finalizar esse valor, precisamos investigar se o valor de simmax ainda é suportado e está dentro da faixa aceitável para esse novo valor arredondado 3.

Porque, diminuir o número de turnos causará um aumento proporcional na simmaxportanto, é essencial verificar se o aumento simmax ainda está dentro da faixa aceitável para nossos três turnos principais.

Verificação do contador simmax ao substituir os seguintes valores existentes, obtemos:
Vin(nom) = 12, F = 50000 nortepri = 3 UMAC = 1,25

simmax = Vem (nom) x 108 / 4 x F X norte(prim) X UMAC

simmax = 12 x 108 / 4 x 50.000 x 3 x 1,25

simmax = 1600

Como você pode ver o novo simmax valor para norte(pri) = 3 turnos parece bom e está dentro da faixa aceitável. Isso também implica que, se a qualquer momento você sentir vontade de manipular o número de norte(prim) voltas, você precisa se certificar de atender às novas simmax valor.

Pelo contrário, pode ser possível determinar primeiro simmax para um número desejado de turnos primários e, em seguida, ajuste o número de turnos para esse valor, modificando adequadamente as outras variáveis ​​na fórmula.

Turnos secundários

Agora sabemos como calcular o lado primário de um transformador SMPS de ferrite, é hora de olhar para o outro lado, que é o lado secundário do transformador.

Como o valor de pico deve ser 310 V para o secundário, gostaríamos que o valor fosse mantido para toda a faixa de tensão da bateria de 13 V a 10,5 V.

Sem dúvida, teremos que empregar um sistema de feedback para manter um nível constante de tensão de saída, para combater a baixa tensão da bateria ou variações de corrente de carga.

Mas, para isso, deve haver uma margem ou margem superior para facilitar esse controle automático. Uma faixa de +20 V parece boa o suficiente, portanto, selecionamos a tensão máxima de saída máxima como 310 + 20 = 330 V.

Isso também significa que o transformador deve ser projetado para produzir 310 V com a tensão de bateria mais baixa de 10,5.

Para controle de feedback, normalmente empregamos um circuito PWM autoajustável, que amplia a largura do pulso durante bateria fraca ou alta carga, reduzindo proporcionalmente sem carga ou sob condições ideais da bateria.

Isso significa que, em condições de bateria fraca, o PWM deve se ajustar automaticamente ao ciclo de trabalho máximo para manter a saída de 310V estipulada. Pode-se supor que esse PWM máximo seja 98% do ciclo de trabalho total.

A diferença de 2% permanece com o tempo de inatividade. Tempo morto é o intervalo de tensão zero entre cada frequência de meio ciclo, durante o qual os MOSFETs ou dispositivos de energia específicos permanecem completamente desligados. Isso garante segurança garantida e evita o disparo através dos MOSFETs durante os períodos de transição dos ciclos de empurrar e puxar.

Portanto, a fonte de entrada será mínima quando a tensão da bateria atingir seu nível mínimo, ou seja, quando Vno = Vem (min) = 10,5 V. Isso fará com que o ciclo de trabalho seja no máximo 98%.

Os dados acima podem ser usados ​​para calcular a tensão média (DC RMS) necessária para o lado primário do transformador gerar 310 V no secundário, quando a bateria estiver no mínimo 10,5 V. Para isso, multiplicamos 98% por 10,5, como mostrado abaixo:

0,98 x 10,5 V = 10,29 V, esta é a classificação de tensão que nosso primário do transformador deve ter.

Agora, conhecemos a tensão secundária máxima que é 330 V e também a tensão primária que é 10,29 V. Isso nos permite obter o relacionamento dos dois lados como: 330: 10,29 = 32,1.

Como a taxa das classificações de tensão é 32,1, a taxa de rotação também deve estar no mesmo formato.

Significado, x: 3 = 32,1, onde x = espiras secundárias, 3 = espiras primárias.

Resolvendo isso, podemos obter rapidamente o número secundário de voltas

Portanto, os turnos secundários são = 96,3.

A Figura 96.3 é o número de voltas secundárias necessárias para o transformador inversor de ferrite proposto que estamos projetando. Como observado acima, como os vales fracionários são difíceis de implementar praticamente, arredondamos para 96 ​​voltas.

Isso conclui nossos cálculos e espero que todos os leitores aqui tenham descoberto como calcular simplesmente um transformador de ferrite para um circuito inversor SMPS específico.

Cálculo de enrolamento auxiliar

Um enrolamento auxiliar é um enrolamento suplementar que um usuário pode exigir para alguma implementação externa.

Digamos que, junto com a 330V no secundário, você precise de outro enrolamento para obter 33V para uma lâmpada LED. Primeiro calculamos o secundário: auxiliar relação de voltas em relação ao enrolamento secundário de 310 V. A fórmula é:

norteUMA = Vsegundo / (VAux + V)

norteUMA = secundário: relacionamento auxiliar, Vsegundo = Tensão retificada secundária regulada, VAux = tensão auxiliar, V = Valor de queda direta do diodo para o diodo retificador. Como precisamos de um diodo de alta velocidade aqui, usaremos um retificador Schottky com um V = 0.5V

Resolver isso nos dá:

norteUMA = 310 / (33 + 0,5) = 9,25, vamos arredondar para 9.

Agora vamos obter o número de voltas necessárias para o enrolamento auxiliar, obtemos isso aplicando a fórmula:

norteAux = Nsegundo / NUMA

OndeAux = voltas auxiliares, Nsegundo = voltas secundárias, NUMA = relação auxiliar.

De nossos resultados anteriores, temos Nsegundo = 96 e NUMA = 9, substituindo-os na fórmula anterior, obtemos:

norteAux = 96/9 = 10.66, arredondando-o para obter 11 turnos. Então, para obter 33 V, precisaremos de 11 voltas no lado secundário.

Dessa forma, você pode dimensionar um enrolamento auxiliar de acordo com suas próprias preferências.

Final

Neste post, aprendemos como calcular e projetar transformadores de inversor baseados em núcleo de ferrite usando as seguintes etapas:

  • Calcular voltas primárias
  • Calcular turnos secundários
  • Determinar e confirmar simmax
  • Determine a tensão secundária máxima para o controle de feedback PWM
  • Encontre a taxa de torneamento secundário primário
  • Calcular o número secundário de voltas
  • Calcular curvas de enrolamento auxiliar

Usando as fórmulas e cálculos mencionados acima, um usuário interessado pode projetar facilmente um inversor baseado em núcleo de ferrite personalizado para o aplicativo SMPS.

Para dúvidas e preocupações, sinta-se à vontade para usar a caixa de comentários abaixo, tentarei resolvê-lo o mais rápido possível



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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