Neste post, aprendemos como selecionar o material do núcleo de ferrite com as especificações corretas para garantir a compatibilidade adequada com um determinado projeto de circuito SMPS
Por que núcleo de ferrite
A ferrite é uma substância central maravilhosa para transformadores, inversores e indutores no espectro de frequência de 20 kHz a 3 MHz, devido aos benefícios de despesas de núcleo reduzidas e perdas mínimas de núcleo.
A ferrite é um material eficaz para fontes de alimentação de inversores de alta frequência (20 kHz a 3 MHz).
As ferritas devem ser empregadas na abordagem de saturação para funcionamento de baixa potência e baixa frequência (<50 watts e 10 kHz). Para funcionalidade de alta potência, um layout de 2 transformadores, empregando um núcleo enrolado em fita como núcleo de saturação e um núcleo de ferrite como transformador de saída, oferece uma execução ideal.
O modelo de 2 transformadores oferece eficiência extraordinária, durabilidade de frequência fantástica e rebaixamentos de comutação mínimos.
Os núcleos de ferrite são comumente usados em versões de transformadores fly-back, que fornecem custo mínimo de núcleo, despesas de circuito reduzidas e eficiência de tensão máxima. Os núcleos em pó (MPP, High Flux, Kool Mμ®) produzem saturação mais suave, maior Bmax e constância de temperatura mais vantajosa e geralmente é a opção preferida em vários usos de flyback ou indutores.
Fontes de alimentação de alta frequência, sejam inversores e conversores, propõem preço mais barato, peso e estrutura reduzidos em comparação com as opções tradicionais de energia de 60 hertz e 400 hertz.
Vários núcleos neste segmento específico são projetos típicos frequentemente usados na profissão.
MATERIAIS PRINCIPAIS
Os materiais F, P e R, facilitando as desvantagens mínimas do núcleo e a densidade máxima de fluxo de saturação, são recomendados para funcionalidade de alta potência/alta temperatura. Os déficits do núcleo de material P diminuem com a temperatura de até 70°C; As perdas de material R diminuem para até 100°C.
Os materiais J e W fornecem impedância superior para transformadores largos, o que os torna também recomendados para transformadores de potência de baixo nível.
GEOMETRIA NÚCLEO
1) NÚCLEO DE POTE
Pot Cores, são fabricados para cercar a bobina enrolada. Isso facilita a proteção da bobina contra EMI de alternativas externas.
As proporções do pot core praticamente todas seguem as especificações da IEC para garantir que exista intercambialidade entre as empresas. As bobinas de circuito simples e impresso são
no mercado, assim como as ferragens de montagem.
Devido ao seu layout, o núcleo do potenciômetro é geralmente um núcleo de preço mais alto em comparação com diferentes formatos de tamanho análogo. Os núcleos de potenciômetros para propósitos de energia substanciais não são facilmente acessíveis.
2) LAJE DUPLA E NÚCLEO RM
Os núcleos de poste central sólido com lado de laje são semelhantes aos núcleos de pote, mas ainda possuem um segmento minimizado em qualquer parte da saia. Entradas substanciais possibilitam a acomodação de fios maiores e contribuem para eliminar o calor do setup.
núcleos RM são semelhantes aos núcleos de pote, porém são projetados para reduzir a área do pcb, proporcionando uma redução mínima de 40% no espaço de instalação.
Circuito impresso ou bobinas simples podem ser obtidas. Grampos simples de 1 unidade permitem uma construção sem problemas. O contorno inferior é alcançável.
A peça intermediária robusta oferece menos perda de núcleo, o que, por sua vez, elimina o acúmulo de calor.
3) NÚMEROS EP
Os núcleos EP são projetos cúbicos de poste central circular que envolvem a bobina completamente, com exceção dos terminais da placa de circuito impresso. A aparência específica elimina a influência das fendas de fluxo de ar estabelecidas nas paredes de acoplamento na pista magnética e oferece uma relação de volume mais significativa para a área absoluta usada. A proteção contra RFs é muito boa.
4) NÚCLEO PQ
Os núcleos PQ destinam-se distintamente a fontes de alimentação comutadas. O layout permite uma proporção maximizada de volume para região de enrolamento e área de superfície.
Portanto, tanto a indutância ideal quanto a superfície do enrolamento são alcançáveis com a dimensão mínima absoluta do núcleo.
Os núcleos, como resultado, proporcionam uma saída de energia ideal com a massa e dimensão do transformador menos montadas, além de ocupar um nível mínimo de espaço na placa de circuito impresso.
A configuração com bobinas de circuito impresso e pinças de um bit é fácil. Este modelo econômico garante uma seção transversal muito mais homogênea; consequentemente, os núcleos geralmente trabalham com uma quantidade menor de posições quentes em comparação com layouts diferentes.
5) E NÚMEROS
Os núcleos E são mais baratos do que os núcleos de pote, embora tenham os aspectos de enrolamento de bobina simples e montagem descomplicada. O enrolamento de grupo é possível para as bobinas colocadas em uso usando esses núcleos.
Os núcleos E nunca, mesmo assim, apresentam autoblindagem. Os layouts de tamanho de laminação E são projetados para acomodar bobinas comercialmente acessíveis em tempos passados, destinadas a conformar as estampas de tiras de medidas de laminação usuais.
Tamanhos métricos e DIN também podem ser encontrados. Os núcleos E são normalmente incorporados em várias consistências, fornecendo uma variedade de áreas de seção transversal. As bobinas para essas várias áreas de seção transversal tendem a ser comercialmente acessíveis.
Os núcleos E normalmente são instalados em orientações exclusivas, caso prefira, conceda um perfil baixo.
Bobinas de circuito impresso podem ser encontradas para fixação de baixo perfil.
Os núcleos E são designs bem conhecidos por causa de sua taxa mais acessível, conveniência de montagem e enrolamento e a prevalência organizada de uma variedade de hardware.
6) NÚMEROS PLANOS E
Os núcleos Planar E podem ser encontrados em praticamente todas as medições convencionais IEC, juntamente com várias capacidades suplementares.
O material Magnetics R combina perfeitamente com as formas planares devido às perdas reduzidas do núcleo CA e perdas mínimas a 100°C.
Layouts planos na maioria dos casos têm números de espiras baixos e dissipação térmica agradável em oposição aos transformadores de ferrite padrão e, por essa razão, os projetos ideais para espaço e eficácia levam a densidades de fluxo aumentadas. Nessas variações, a vantagem geral de desempenho do material R é principalmente notável.
A extensão da perna e a elevação da janela (proporções B e D) são flexíveis para fins individuais sem novas ferramentas. Isso torna possível para o desenvolvedor ajustar as especificações do núcleo finalizado para caber com precisão com a elevação da pilha de condutores planar, sem qualquer espaço gasto.
Clipes e slots de clipe são oferecidos em vários casos, que podem ser especificamente eficazes para prototipagem. Além disso, os I-cores são padrões propostos, o que permite ainda mais adaptabilidade no layout.
Os padrões planares EI são úteis para permitir a mistura de face eficaz na produção de grandes volumes, bem como para a criação de núcleos de indutor com lacunas, em que os rebaixamentos de franjas precisam ser cuidadosamente considerados devido à estrutura plana.
7) NÚMEROS EC, ETD, EER E ER
Esses tipos de padrões são uma mistura entre núcleos E e núcleos de pote. Como os núcleos E, eles oferecem uma enorme lacuna em ambos os lados. Isso permite um espaço satisfatório para os fios de tamanho maior necessários para fontes de alimentação de modo comutado de tensão de saída reduzida.
Além disso, garante uma circulação de ar que mantém a construção mais fria.
A peça do meio é circular, muito semelhante à do núcleo do pote. Um dos aspectos positivos do pilar central circular é que o enrolamento tem um período de curso menor em torno dele (11% mais rápido) em comparação com o fio em torno de um pilar central do tipo quadrado com a mesma área de seção transversal.
Isso reduz as perdas dos enrolamentos em 11% e também possibilita que o núcleo lide com uma capacidade de saída aprimorada. O pilar central circular minimiza adicionalmente a dobra pontiaguda no cobre que ocorre com o enrolamento em um pilar central do tipo quadrado.
8) TOROIDES
Os toróides são econômicos para produzir; consequentemente, estes são os mais baratos dos designs de núcleo mais relevantes. Como nenhuma bobina é necessária, as cargas de acessórios e de configuração são insignificantes.
O enrolamento é concluído no equipamento de enrolamento toroidal. O atributo de blindagem é bastante sólido.
Visão geral
As geometrias de ferrite oferecem uma grande variedade de tamanhos e estilos. Ao escolher um núcleo para utilizações de fonte de alimentação, as especificações exibidas na Tabela 1 devem ser avaliadas.
SELEÇÃO DO TAMANHO DO NÚCLEO DO TRANSFORMADOR
A capacidade de processamento de energia em um núcleo de transformador geralmente depende de seu produto WaAc, no qual Wa é o espaço de janela do núcleo oferecido e Ac é o espaço útil da seção transversal do núcleo.
Enquanto a equação acima permite que o WaAc seja modificado dependendo da geometria particular do núcleo, a técnica Pressman tira vantagem da topologia como o fator fundamental e permite que o fabricante designe a densidade de corrente.
INFORMAÇÕES GERAIS
Um transformador perfeito é aquele que promete um declínio mínimo do núcleo enquanto exige o menor volume de espaço.
A perda de núcleo em um núcleo específico é afetada especificamente pela densidade do fluxo junto com a frequência. A frequência é o fator crucial em relação a um transformador. A Lei de Faraday indica que, à medida que a frequência aumenta, a densidade do fluxo diminui correspondentemente.
Os principais trades perdedores reduzem muito mais caso a densidade de fluxo caia em comparação com quando a frequência aumenta. Como ilustração, quando um transformador é operado a 250 kHz e 2 kG em material R a 100°C, as falhas do núcleo provavelmente seriam em torno de 400 mW/cm3.
Se a frequência fosse feita duas vezes e a maioria das outras limitações ilesas, como resultado da lei de Faraday, a densidade de fluxo provavelmente seria 1kG e os rebaixamentos de núcleo resultantes seriam aproximadamente 300mW/cm3.
Os transformadores de potência de ferrite padrão têm restrição de perda de núcleo variando de 50 a 200 mW/cm3. Modelos planares podem ser operados com muito mais assertividade, até 600 mW/cm3, por conta da dissipação de potência mais vantajosa e significativamente menos cobre nos enrolamentos.
Categorias de CIRCUITO
Algumas realimentações básicas nos diversos circuitos são: O circuito push-pull é eficaz, pois o dispositivo faz uso bidirecional de um núcleo de transformador, apresentando uma saída com ondulação reduzida. Apesar disso, os circuitos são extremamente sofisticados e a saturação do núcleo do transformador pode resultar na quebra do transistor quando os transistores de potência possuem propriedades de comutação desiguais.
Os circuitos de alimentação direta são mais baratos, aplicando apenas um transistor. A ondulação é mínima devido ao fato de que a corrente de estado aparentemente estável flui no transformador, não importa se o transistor está LIGADO ou DESLIGADO. O circuito flyback é simples e acessível. Além disso, os problemas de EMI são consideravelmente menores. Apesar disso, o transformador é maior e a ondulação é mais significativa.
CIRCUITO PUSH-PULL
Um circuito push-pull convencional é apresentado na Figura 2A. A tensão de alimentação é a saída de uma rede IC, ou clock, que oscila os transistores alternadamente ON e OFF. Ondas quadradas de alta frequência na saída do transistor são eventualmente refinadas, gerando DC.
NÚCLEO NO CIRCUITO PUSH-PULL
Para transformadores de ferrite, a 20 kHz, geralmente é um processo bem conhecido empregar a equação (4) com um nível de densidade de fluxo (B) de ±2 kG max.
Isso pode ser desenhado pela seção colorida do Histerese Loop na Figura 2B. Este grau B é selecionado principalmente porque o aspecto restritivo da seleção de um núcleo com esta frequência é a perda do núcleo.
Em 20 kHz, se o transformador for ideal para uma densidade de fluxo em torno da saturação (como realizado para layouts de frequência menor), o núcleo adquirirá um surto de temperatura descontrolado.
Por essa razão, a menor densidade de fluxo operacional de 2 kG, na maioria dos casos, limitará as perdas do núcleo, consequentemente ajudando a um aumento de temperatura acessível no núcleo.
Acima de 20 kHz, as perdas do núcleo são maximizadas. Para executar o SPS em frequências elevadas, é importante executar as taxas de fluxo de núcleo menores que ±2 kg. A Figura 3 mostra o declínio nos níveis de fluxo para o material de ferrita MAGNETICS “P”, vital para contribuir com perdas constantes de núcleo de 100mW/cm3 em várias frequências, com um aumento de temperatura ideal de 25°C.
No circuito feed forward apresentado na Figura 4A, o transformador executa no 1º quadrante do Loop de Histerese. (Fig. 4B).
Pulsos unipolares implementados no dispositivo semicondutor fazem com que o núcleo do transformador seja alimentado a partir de seu valor BR próximo à saturação. À medida que os pulsos são reduzidos para zero, o núcleo reverte para sua taxa BR.
Para poder manter uma eficiência superior, a indutância primária é mantida alta para ajudar a reduzir a corrente de magnetização e diminuir os rebaixamentos do fio. Isso implica que o núcleo precisa ter zero ou um mínimo de abertura de fluxo de ar.
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FONTE
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