Como calcular transformadores de núcleo de ferrite

Como calcular transformadores de núcleo de ferrite

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



A postagem apresenta uma explicação detalhada sobre como calcular e projetar transformadores de núcleo de ferrite customizados. O conteúdo é fácil de entender e pode ser muito útil para engenheiros envolvidos na área de eletrônica de potência e fabricação de inversores SMPS.

Calcule transformadores de ferrite para inversores e SMPS

Por que o núcleo de ferrite é usado em conversores de alta frequência

Você deve ter se perguntado frequentemente a razão por trás do uso de núcleos de ferrite em todas as fontes de alimentação comutadas modernas ou conversores SMPS. Certo, é para alcançar maior eficiência e compactação em comparação com as fontes de alimentação com núcleo de ferro, mas seria interessante saber como os núcleos de ferrite nos permitem atingir esse alto grau de eficiência e compactação?





É porque em transformadores de núcleo de ferro, o material de ferro tem permeabilidade magnética muito inferior do que o material de ferrite. Em contraste, os núcleos de ferrite possuem permeabilidade magnética muito alta.

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



Uma maior permeabilidade magnética significa, menor quantidade de corrente parasita e menores perdas de comutação. Um material magnético normalmente tem a tendência de gerar correntes parasitas em resposta a uma frequência magnética crescente.

Conforme a frequência é aumentada, a corrente parasita também aumenta, causando aquecimento do material e aumento na impedância da bobina, o que leva a mais perdas de chaveamento.

Os núcleos de ferrite, devido à sua alta permeabilidade magnética, são capazes de trabalhar de forma mais eficiente com frequências mais altas, devido a correntes parasitas e perdas de chaveamento mais baixas.

Agora você pode pensar, por que não usar uma frequência mais baixa, pois isso ajudaria a reduzir as correntes parasitas? Parece válido, porém, menor frequência 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 fica menor, mais leve e mais barato. É por isso que o SMPS usa uma alta frequência.

Topologia do inversor

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

Na verdade, ambas as topologias são push-pull por natureza. Em ambas as formas, o enrolamento é aplicado com uma corrente alternada reversa-direta continuamente comutada pelos MOSFETs, oscilando na alta frequência especificada, imitando uma ação push-pull.

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

Como calcular o transformador inversor de núcleo de ferrite

Calcular um transformador de núcleo de ferrite é bastante simples, se você tiver todos os parâmetros especificados em mãos.

Para simplificar, tentaremos resolver a fórmula por meio de um exemplo de configuração, digamos para um transformador de 250 watts.

A fonte de alimentação será uma bateria de 12 V. A frequência de chaveamento do transformador será de 50 kHz, uma figura típica na maioria dos inversores SMPS. Vamos supor que a saída seja 310 V, que normalmente é o valor de pico de 220 V RMS.

Aqui, o 310 V estará após a retificação por meio de uma recuperação rápida retificador de ponte e filtros LC. Selecionamos o núcleo como ETD39.

Como todos sabemos, quando um Bateria 12 V é usado, sua voltagem nunca é constante. Com carga total, o valor é em torno de 13 V, que continua caindo conforme a carga do inversor consome energia, até que finalmente a bateria descarrega para seu limite mais baixo, que é normalmente 10,5 V. Portanto, para nossos cálculos, consideraremos 10,5 V como o valor de alimentação para V em (min).

Curvas primárias

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

N (primeiro)= V em (substantivo)x 108/ 4 x f x B maxx PARA c

Aqui N (primeiro)refere-se aos números primários da curva. Uma vez que selecionamos uma topologia push pull com macho central em nosso exemplo, o resultado obtido será a metade do número total de voltas necessárias.

  • Vinho (sobrenome)= Tensão de entrada média. Uma vez que a voltagem média da bateria é de 12 V, vamos pegar Vinho (sobrenome)= 12.
  • f = 50 kHz ou 50.000 Hz. É a frequência de chaveamento preferida, conforme selecionado por nós.
  • B max= Densidade máxima de fluxo em Gauss. Neste exemplo, vamos assumir B maxestar na faixa de 1300G a 2000G. Este é o valor padrão da maioria dos núcleos de transformadores baseados em ferrite. Neste exemplo, vamos estabelecer em 1500G. Então nós temos B max= 1500. Valores mais altos de B maxnão é recomendado, pois isso pode fazer com que o transformador atinja o ponto de saturação. Por outro lado, valores mais baixos de B maxpode resultar na subutilização do núcleo.
  • PARAc= Área de seção transversal efetiva em cmdois. Essas informações podem ser coletadas das fichas técnicas dos núcleos de ferrite . Você também pode encontrar Acsendo apresentado como Aé. Para o número de núcleo selecionado ETD39, a área da seção transversal efetiva fornecida na folha de dados é 125 mmdois. Isso é igual a 1,25 cmdois. Portanto, temos,c= 1,25 para ETD39.

As figuras acima nos fornecem os valores para todos os parâmetros necessários para calcular as espiras primárias de nosso transformador inversor SMPS. Portanto, substituindo os respectivos valores na fórmula acima, obtemos:

N (primeiro)= V em (substantivo)x 108/ 4 x f x B maxx PARA c

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

N (primeiro)= 3,2

Como 3.2 é um valor fracionário e pode ser difícil de implementar na prática, vamos arredondá-lo para 3 voltas. No entanto, antes de finalizar esse valor, temos que investigar se o valor de B maxainda é compatível e está dentro da faixa aceitável para este novo valor arredondado 3.

Porque, diminuir o número de voltas causará um aumento proporcional no B max, portanto, torna-se imperativo verificar se o aumento B maxainda está dentro da faixa aceitável para nossas 3 voltas primárias.

Verificação do contador B maxsubstituindo os seguintes valores existentes, obtemos:
Vinho (sobrenome)= 12, f = 50000, N no= 3, PARA c= 1,25

B max= V em (substantivo)x 108/ 4 x f x N (primeiro)x PARA c

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

B max= 1600

Como pode ser visto o novo B maxvalor para N (no)= 3 voltas parece bom e está bem dentro da faixa aceitável. Isso também implica que, se a qualquer momento você sentir vontade de manipular o número de N (primeiro)voltas, você deve se certificar de que está em conformidade com o novo B maxvalor.

Ao contrário, pode ser possível determinar primeiro o B maxpara um número desejado de voltas primárias e, em seguida, ajuste o número de voltas a esse valor, modificando adequadamente as outras variáveis ​​na fórmula.

Curvas Secundárias

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

Uma vez que o valor de pico deve ser 310 V para o secundário, gostaríamos que o valor fosse sustentado por toda a faixa de tensão da bateria, começando de 13 V a 10,5 V.

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

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

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

Para controle de feedback, normalmente empregamos um circuito PWM autoajustável, que amplia a largura de pulso durante bateria fraca ou alta carga e diminui proporcionalmente durante sem carga ou em condições ideais de bateria.

Isso significa, em condições de bateria fraca o PWM deve se ajustar automaticamente ao ciclo de trabalho máximo, para manter a saída de 310 V estipulada. Este PWM máximo pode ser considerado como 98% do ciclo de trabalho total.

O intervalo de 2% é deixado para o tempo morto. O tempo morto é o intervalo de tensão zero entre cada frequência de meio ciclo, durante o qual os MOSFETs ou os dispositivos de energia específicos permanecem completamente desligados. Isso garante segurança garantida e evita disparos através dos MOSFETs durante os períodos de transição dos ciclos de push pull.

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

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

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

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

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

Ou seja, x: 3 = 32,1, onde x = voltas secundárias, 3 = voltas primárias.

Resolvendo isso, podemos obter rapidamente o número secundário de voltas

Portanto, as voltas secundárias são = 96,3.

A figura 96.3 é o número de espiras secundárias que precisamos para o transformador inversor de ferrite proposto que estamos projetando. Como afirmado anteriormente, uma vez que os valores fracionários são difíceis de implementar na prática, arredondamos para 96 ​​voltas.

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

Calculando Enrolamento Auxiliar

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

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

NPARA= Vseg/ (Vao+ Vd)

NPARA= secundário: relação auxiliar, Vseg= Tensão retificada regulada secundária, Vao= tensão auxiliar, Vd= Valor da queda direta do diodo para o diodo retificador. Uma vez que precisamos de um diodo de alta velocidade aqui, usaremos um retificador Schottky com um Vd= 0,5 V

Resolvê-lo nos dá:

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

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

Nao= Nseg/ NPARA

Onde Nao= voltas auxiliares, Nseg= voltas secundárias, NPARA= relação auxiliar.

De nossos resultados anteriores, temos Nseg= 96 e NPARA= 9, substituindo-os na fórmula acima, obtemos:

Nao= 96/9 = 10,66, arredondar nos dá 11 voltas. Portanto, para obter 33 V, precisaremos de 11 voltas no lado secundário.

Assim, você pode dimensionar um enrolamento auxiliar de acordo com sua preferência.

Empacotando

Nesta postagem, aprendemos como calcular e projetar transformadores inversores baseados em núcleo de ferrite, usando as seguintes etapas:

  • Calcular curvas primárias
  • Calcular curvas secundárias
  • Determinar e confirmar B max
  • Determine a tensão secundária máxima para o controle de feedback PWM
  • Encontre a razão de giro primário secundário
  • Calcule o número secundário de voltas
  • Calcule as curvas do enrolamento auxiliar

Usando as fórmulas e cálculos mencionados acima, um usuário interessado pode facilmente projetar um inversor com base em núcleo de ferrite personalizado para aplicação SMPS.

Para perguntas e dúvidas, sinta-se à vontade para usar a caixa de comentários abaixo, vou tentar resolver o mais rápido possível




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