Diseño de transformador con núcleos de ferrita Magnetics Magnetics ofrece dos métodos para seleccionar un núcleo de ferrita para una aplicación de energía: selección de núcleo por capacidad de manejo de potencia y selección de núcleo por producto WaAc.
Selección de núcleo por capacidad de manejo de potencia El diagrama de potencia caracteriza la capacidad de manejo de potencia de cada núcleo de ferrita en función de la frecuencia de operación, la topología del circuito, el nivel de flujo seleccionado y la cantidad de energía requerida por el circuito. Si se conocen estos cuatro aspectos específicos, el núcleo se puede seleccionar de la Tabla de manejo de energía típica.
Selección de núcleo por producto WaAc La capacidad de manejo de potencia de un núcleo de transformador también puede determinarse por su producto WaAc, donde Wa es el área de ventana central disponible, y Ac es el área efectiva de sección transversal del núcleo. Usando la ecuación que se muestra a continuación, calcule el producto WaAc y luego use la Tabla de Distribución de Producto por Área (WaAc) para seleccionar el núcleo apropiado. WaAc = Producto del área de la ventana y del núcleo (cm 4 ) P o = Potencia de salida (vatios) D cma = Densidad de corriente (mil milipulgadas / amperio) Se puede seleccionar la densidad de corriente dependiendo de la cantidad de aumento de calor permitida. 750 cir. mils / amp es conservador; 500 cir. mils es agresivo. B max = Densidad de flujo (gauss) seleccionada en función de la frecuencia de operación. Por encima de 20 kHz, las pérdidas en el núcleo aumentan. Para operar núcleos de ferrita a frecuencias más altas, es necesario operar los niveles de flujo del núcleo inferiores a ± 2 kg. El gráfico Flux Density vs. Frequency muestra la reducción en los niveles de flujo necesarios para mantener pérdidas de núcleo de 100 mW / cm³ en varias frecuencias, con un aumento de temperatura máximo de 25 ° C. para un material de poder típico, material de Magnetics 'P.
WaAc = Producto del área de la ventana y del núcleo (cm 4 ) Ac = área del núcleo en cm
2
ƒ = frecuencia (hertz)
K t = Constante de topología (para un factor de espacio de 0.4). Constantes de topología K
t
Convertidor hacia delante = 0.0005 Push-Pull = 0.001 Half-bridge = 0.0014 Full-bridge = 0.0014 Flyback = 0.00033 (single winding) Flyback = 0.00025 (múltiple devanado) La fórmula de WaAc se obtuvo a partir de derivaciones en el capítulo 7 del libro de AI Pressman, "Switching Power Supply Design". La elección de B max en diversas frecuencias, D cma y los cálculos de aumento de temperatura del transformador alternativo también se analizan en el capítulo 7 del libro de Pressman.
DENSIDAD DE FLUJO VS. FRECUENCIA P PERM
Una vez que se elige un núcleo, el cálculo de los giros primarios y secundarios y el tamaño del cable se logra fácilmente.
https://www.mag-inc.com/Design/Design-Guides/Transformer-Design-with-Magnetics-FerriteCores
El transformador de ferrita convierte el cálculo para el inversor de alta frecuencia / SMPS En diferentes foros, a menudo encuentro personas pidiendo ayuda para calcular los giros requeridos para un transformador de ferrita que van a usar en los inversores de alta frecuencia / SMPS. En un inversor de alta frecuencia / SMPS, el transformador de ferrita se utili za en la etapa de aumento / refuerzo donde la CC de baja tensión de la batería se intensifica a CC de alta tensión. En esta situación, solo hay dos opciones cuando se selecciona la topología: push-pull y full-bridge. Para el diseño del transformador, la diferencia entre un transformador push-pull y un puente completo para el mismo voltaje y potencia será que el transformador push-pull requerirá un toque central, lo que significa que requerirá el doble de vueltas primarias que el completo transformador de puente
El cálculo de los giros requeridos es bastante simple y lo explicaré aquí.
Para una explicación, usaré un ejemplo y pasaré por el proceso de cálculo.
Digamos que el transformador de ferrita se usará en un inversor de 250W. La topología seleccionada es push-pull. La fuente de poder es una batería de 12V. El voltaje de salida de la etapa del convertidor CC-CC será 310V. La frecuencia de conmutación es de 50 kHz. El núcleo seleccionado es ETD39. Recuerde que la salida del transformador será CA de alta frecuencia (onda cuadrada de 50kHz en este caso). Cuando me refiero a una salida de CC de alta tensión (por ejemplo, 310VDC mencionado anteriormente), esta es la salida de CC obtenida después de la rectificación (usando diodos de recuperación ultrarrápidos configurados como puente rectificador) y la filtración (usando filtro LC). Durante el funcionamiento, el voltaje de la batería no permanece fijo a 12V. Con altas cargas, el voltaje será menor a 12V. Con cargas bajas y batería casi completamente cargada, el voltaj e puede ser mayor a 13V. Por lo tanto, debe tenerse en cuenta que el voltaje de entrada no es constante, pero es variable. En los inversores, la batería de corte bajo generalmente se establece en 10.5V. Por lo tanto, tomaremos esto como nuestro voltaje de entrada más bajo posible. Vinmin = 10.5V
La fórmula para calcular el número de giros primarios requeridos es:
Para nuestro transformador push-pull, esta será la mitad del núm ero requerido de vueltas. N pri significa número de vueltas primarias; N sec significa el número de vueltas secundarias; N aux significa el número de vueltas auxiliares, etc. Pero solo N (sin subíndice) se refiere a la proporción de vueltas.
Para calcular el número requerido de g iros primarios usando la fórmula, los parámetros o variables que deben considerarse son:
Vin (nom) - Voltaje de entrada nominal. Tomaremos esto como 12V. Entonces, Vin (nom) = 12. f - La frecuencia de conmutación de funcionamiento en Hertz. Dado que nuestra frecuencia de conmutación es de 50 kHz, f = 50000. B max - Densidad de flujo máxima en Gauss. Si está acostumbrado a usar Tesla o milliTesla (T o mT) para densidad de flujo, solo recuerde que 1T = 10 4 Gauss. B max realmente depende del diseño y los núcleos del transformador que se utilizan. En mis diseños, generalmente tomo
B max para estar en el rango de 1300G a 2000G. Esto será aceptable para la mayoría de los núcleos de transformadores. En este ejemplo, comencemos con 1500G. Entonces, B max = 1500. Recuerde que una B max demasiado alta hará que el transformador se sature. Demasiado bajo, un B max estará por debajo del núcleo. A c - Área efectiva de sección transversal en cm 2 . Obtendrá esta información de las hojas de datos de los núcleos de ferrita. A c también se refiere a veces como A e . Para ETD39, el área de sección transversal efectiva dada en la hoja de datos / hoja de especificaciones (me refiero a TDK E141. Puede descargarlo desde aquí: www.tdk.co.jp/tefe02/e141.pdf ), la cruz efectiva -el área de la sección (en la hoja de especificaciones, se la conoce como A e, pero como he dicho, es lo mismo que A c ) se da como 125 mm 2 . Eso es igual a 1.25cm 2 . Entonces, A c = 1.25 para ETD39.
Así que ahora, hemos obtenido los valores de todos los parámetros requeridos para el cálculo de Npri, la cantidad de giros primarios requeridos.
Vin (nom) = 12 f = 50000 B 1,25
max =
1500 A c =
Tapando estos valores en la fórmula:
N pri = 3.2 No usaremos devanados fraccionarios, por lo que redondearemos N pri al número entero más cercano, en este caso, redondeado a 3 vueltas. Ahora, antes de finalizar esto y seleccionar N pri = 3, es mejor que nos aseguremos de que B max esté dentro de los límites aceptables. Como hemos disminuido el número de giros desde la cifra calculada (hasta
3.0 desde 3.2), B max aumentará. Ahora tenemos que determinar cuánto ha aumentado Bmax y si ese sigue siendo un valor aceptable. Vin (nom) = 12 f = 50000 N pri = 3 A c = 1.25
B max = 1600 El nuevo valor de B max está dentro de los límites aceptables, por lo que podemos proceder con N pri = 3. Entonces, ahora sabemos que para el primario, nuestro transformador requerirá 3 vueltas + 3 giros. En cualquier diseño, si necesita ajustar los valores, puede hacerlo fácilmente. Pero siempre recuerde verificar que B max sea aceptable. Por ejemplo, si por dificultades de construcción, enrollar 3 vueltas + 3 vueltas se vuelve difícil, puede usar 2 vueltas + 2 vueltas o 4 vueltas + 4 vueltas. Aumentar el número de turnos no hará daño, solo utilizarás el núcleo. Sin embargo, la disminución del número de giros aumenta B max , por lo que simplemente vuelva a verificar para asegurarse de que B max está bien. El rango que he indicado para B max (1300G a 2000G)
es solo una estimación. Funcionará para la mayoría de los núcleos. Sin embargo, con muchos núcleos, puede ir más alto para disminuir el número de vueltas. Bajar de nivel solo estará por debajo del núcleo, pero a veces puede ser necesario si el número de giros es demasiado bajo. Empecé con un conjunto B max y seguí calculando N pri desde allí. También puede asignar un valor de N pri y luego verificar si B max está bien. De lo contrario, puede aumentar o disminuir N pri según sea necesario y luego verificar si B max está bien, y repetir este proceso hasta que obtenga un resultado satisfactorio. Por ejemplo, puede haber establecido Npri = 2 y calculado Bmax y decidió que esto era demasiado alto. Entonces, estableces Npri = 3 y calculaste Bmax y decidiste que estaba bien. O puede haber comenzado con Npri = 4 y calculado Bmax y decidió que era demasiado bajo. Entonces, estableces Npri = 3 y calculaste Bmax y decidiste que estaba bien.
Ahora es el momento de pasar a la secundaria. La salida de nuestro convertidor CC-CC es 310V. Por lo tanto, la salida del transformador debe ser de 310 V en todos los voltajes de entrada, desde 13.5 V hasta 10.5V. Naturalmente, se implementará la retroalimentación para mantener el voltaje de salida fijo incluso con variaciones de línea y carga: cambios debidos al cambio de voltaje de la batería y también debido al cambio de carga. Por lo tanto, debe dejarse espacio libre para que la retroalimentación funcione. Entonces, diseñaremos el transformador con clasificación secundaria a 330V.La retroalimentación simplemente ajustará el voltaje requerido al cambiar el ciclo de trabajo de las señales de control PWM. Además de los comentarios, el margen también compensa algunas de las pérdidas en el convertidor y, por lo tanto, compensa las caídas de tensión en diferentes etapas, por ejemplo, en los MOSFET, en el propio transformador, en los rectificadores de salida, inductor de salida, Esto significa que la salida debe ser capaz de suministrar 330 V con un voltaje de entrada igual a 10.5V y también un voltaje de entrada igual a 13.5V.Para el controlador PWM, tomaremos un ciclo de trabajo máximo de 98%. La brecha permite un tiempo muerto. Con un voltaje mínimo de entrada (cuando Vin = Vinmin), el ciclo de trabajo será máximo. Por lo tanto, el ciclo de trabajo será del 98% cuando Vin = 10.5 = Vinmin. En el ciclo de trabajo máximo = 98%, voltaje al transformador = 0.98 * 10.5V = 10.29V. Entonces, relación de voltaje (secundario: primario) = 330V: 10.29V = 32.1 Como la relación de voltaje (secundario: primario) = 32.1, la relación de vueltas (secundaria: primaria) también debe ser 32.1 como relación de vueltas (secundaria: primaria) = relación de voltaje (secundaria: primaria). La razón de vueltas es designada por N. Entonces, en nuestro caso, N = 32.1 (tomé N como la relación secundaria: primaria).
N pri = 3 N sec = N * N pri = 32.1 * 3 = 96.3 Redondea al número entero más cercano. N
sec =
96.
Por lo tanto, se requieren 96 giros para el secundario. Con la implementación adecuada de retroalimentación, se obtendrá una salida constante de 310VDC en todo el rango de voltaje de entrada de 10.5V a 13.5V. Aquí, una cosa a tener en cuenta es que aunque tomé el 98% como el ciclo de trabajo máximo, el ciclo de trabajo máximo en la práctica será menor ya que nuestro transformador se calculó para proporcionar una salida de 330V. En el circuito, la salida será de 310 V, por lo que el ciclo de trabajo será aún menor. Sin embargo, la ventaja aquí es que puede estar seguro de que la salida no caerá por debajo de 330V incluso con cargas pesadas, ya que se proporciona un margen suficiente para que la realimentación entre y mantenga la tensión de salida incluso a altas cargas. Si se requieren bobinados auxiliares, los giros requeridos pueden calcularse fácilmente. Déjame mostrar con un ejemplo. Digamos que necesitamos un bobinado auxiliar para proporcionar 1 9 V. Sé que la salida 310V se regulará, sea cual sea el voltaje de entrada, dentro del rango inicialmente especificado (Vinmin a Vinmax - 10.5V a 13.5V). Por lo tanto, la relación de vueltas para el devanado auxiliar se puede calcular con respecto al devanado secundario. Vamos a llamar a esta relación de espiras (secundaria: auxiliar) N A . N A = N sec / N aux = V seg / (V aux + V d ). V d es la caída hacia adelante del diodo de salida. Supongamos que en nuestra aplicación, un rectificador de Schottky con un V d = 0. 5 se utiliza V. Entonces, N A = 310V / 1 9 . 5 V = 1 5.9 N sec / N aux = N A N aux = N sec / N A = 96 /1 5,9 = 5. 96
Vamos a redondear N aux a 6 y ver cuál es el voltaje de salida. V sec / (V aux + V d ) = N A = N sec / N aux = 96/ 6 = 16.0 (V aux + V d ) = V seg / N A = 310 V / 1 6.0 = 1 9.375 V V aux = 1 9 . 37 5 V - 0. 5 V = 18.875 V (redondeado) Yo diría que es genial para un suministro auxiliar. Si en los cálculos se llega a una tensión que es demasiado fa r de la tensión de destino requerido ypor lo tanto se requiere mayor precisión, tomar V aux como algo más alto y usar un regulador de voltaje. Por ejemplo, i f en nuestro ejemplo anterior, en lugar de 18.875V que habíamos conseguido 19.8V pero necesita más precisión, podríamos han utilizado 24V o thereabou ts y se utiliza una re tensión gulator para dar salida de 19V. Así que ahí lo tenemos. Nuestro transformador tiene 3 vueltas + 3 vueltas para el primario, 96 vueltas para el secundario y 6 vueltas para el auxiliar. Aquí está nuestro transformador:
Calcular el número requerido de vueltas para un transformador es en realidad una tarea sencilla y espero poder ayudarlo a entender cómo hacerlo.Espero que este tutorial lo ayude en sus diseños de transformadores de ferrita. Háganme saber sus comentarios y comentarios. http://tahmidmc.blogspot.com/2012/12/ferrite-transformer-turns-calculation.html
Transformador de ferrita convierte el cálculo con el ejemplo BILAL Hace 3 Años 47 Comentarios
En este artículo aprenderá cómo calcular la relación de vueltas del transformador de núcleo de ferrita para los inversores de fuente de alimentación de modo de conmutación de alta frecuencia. Los transformadores de núcleo de alta ferrita se utilizan en casi todos los circuitos de electrónica de potencia, como inversores e inversores de onda sinusoidal pura . Se utilizan para aumentar o aumentar el voltaje de baja CC de la batería y otras fuentes de CC como los paneles solares. Los transformadores de núcleo de ferrita también se utilizan en convertidores aislados de CC a CC para aumentar o disminuir el voltaje de CC. Por ejemplo, en el convertidor de buck aislado , se usa para reducir el voltaje de CC y en un convertidor elevador aislado., se usan para intensificar el voltaje de cd. En este artículo, aprenderemos cómo calcular la relación de espiras del transformador de núcleo de ferrita de alta frecuencia con ejemplos.
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1 Cálculo de la relación de vueltas del núcleo de ferrita 2 Cálculo de la relación de vueltas del núcleo de ferrita de la topología de extracción con el ejemplo 3 Cálculo de vueltas principales del transformador de ferrita 4 Cálculo de vueltas secundarias del transformador de ferrita
Cálculo de relación de vueltas de núcleo de ferrita Por ejemplo, en la etapa de refuerzo tenemos dos opciones para usar desde convertidores de electrónica de potencia, topología de extracción de inserción y puente completo. Explicaré ambos métodos uno por uno. La fórmula y el concepto de cálculo de ratios de turnos siguen siendo los mismos para ambas topologías. La única diferencia entre la topología de extracción por empuje y el diseño de transformador de puente completo es que el transformador de núcleo de ferrita de extracción por empuje requiere una toma central en el devanado primario. En otras palabras, el transformador de empuje tiene dos veces el giro primario que el transformador de puente completo.
Cálculo de la relación de vueltas del núcleo de ferrita de la topología de empuje y extracción con ejemplo
Comencemos con el ejemplo. Por ejemplo, queremos diseñar un convertidor dc a dc de refuerzo de 250 vatios. Estamos utilizando topología push pull para este diseño. Estamos usando una batería de 12 voltios. Queremos aumentar el voltaje de CC de 12 voltios 310 voltios. La frecuencia de cambio del diseño es de 50 KHz. Estamos utilizando núcleo de ferrita ETD39 que puede manejar 250 vatios. Está más allá del alcance de este tema indicar cómo seleccionar el núcleo de ferrita de acuerdo con la clasificación de potencia. Trataré de escribir un artículo por separado sobre él. La salida del núcleo de ferrita será siempre una onda cuadrada de alta frecuencia de 50 KHz. Ne cesitamos usar un rectificador completo para convertirlo a corriente continua de 310 voltios. También es posible que necesite usar un filtro LC para los armónicos o los componentes de CA de la salida.
El transformador de ferrita convierte el cálculo
Transformador de ferrita primario convierte el cálculo Como sabe, el voltaje de la batería no permanece igual todo el tiempo. A medida que aumenta la carga de la batería, el voltaje de la batería será inferior a 12 voltios. Sin carga con la batería completamente cargada, el voltaje de la batería estará cerca de 13.5 voltios. Por lo tanto, el voltaje de entrada no es constante, debemos considerarlo al calcular la relación de vueltas del transformador de núcleo de ferrita. La tensión de corte para la batería suele ser de 10,5 voltios. Podemos tomarlo como el menor valor posible de voltaje de entrada para impulsar el convertidor de CC. Así que ahora tenemos los siguientes parámetros: Vinput = 10.5 voltios Vout = 310 voltios Como sabemos, la fórmula del cálculo de la relación de vueltas en el transformador es
N = Npri / Nsc = Vin / Vout Donde Npri es el número de vueltas primarias y Nsc es el número de vueltas secundarias. Tenemos tres variables conocidas, como la relación de espiras, que pueden calcularse mediante la ecuación anterior, la tensión de entrada y la tensión de salida. Pero tenemos que calcular los giros primarios para encontrar un transformador secundario de núcleo de ferrita. La fórmula para calcular las vueltas primarias para el transformador de núcleo de ferrita se da a continuación: Npri = Vin * 10 ^ 8/4 * f * Bmax * Ac Pero para el empuje de empuje será la mitad del número primario de vueltas.
Donde Npi es el número primario de giro, Vin (nom) es voltaje de entrada normal que en nuestro ejemplo es 10.5 voltios. Bmax es la densidad de flujo máxima. La unidad de densidad de flujo máxima es Guass. Recuerde si está usando la unidad Tesla para la máxima densidad de flujo, IT = 10 ^ 4 Guass. El valor de la densidad de flujo máxima generalmente se da en la hoja de datos de núcleo de ferrita. Por lo general, tomamos el valor de Bmax entre 1300G y 2000G. Este suele ser un rango aceptable para todos los tr ansformadores de núcleo de ferrita. Nota: El alto valor de la densidad de flujo saturará el núcleo y el bajo valor de la densidad de flujo dará lugar a una utilización insuficiente del núcleo. Por ejemplo, tomaremos 1500G para el ejemplo del convertidor de CC a CC. f está cambiando el convertidor de frecuencia. En nuestro ejemplo, la frecuencia de conmutación del convertidor de CC a CC es de 50 KHz. Ac es un área efectiva de sección transversal de núcleo de ferrita. Tenemos que referirnos a la hoja de datos para este valor. En este ejemplo, estamos usando el núcleo ETD39. El área efectiva de la sección transversal de ETD39 es 125mm ^ 2 o 1.25cm ^ 2.
Tenemos todos los valores para calcular el número primario de giros. Vin = 10.5 voltios, Bmax = 1500G, f = 50 KHz, Ac = 1.25 cm ^ 2 Al poner estos parámetros en dos fórmulas anteriores, podemos calcular el n úmero de vueltas primarias de los giros. Npri = 12. 10 ^ 8/4. 50000. 1500. 1.25 = 3.2 De ahí Npri = 3.2 Pero no podemos usar turnos fraccionarios. Entonces, debemos redondear el valor calculado de vueltas primarias al número entero más cercano 3. El número entero posible más cercano es 3. el número de vueltas primario para el núcleo de ferrita es 3. Pero antes necesitamos verificar Npri = 3 Bmax está dentro del rango aceptable o no. Como mencioné anteriormente, el rango aceptable para Bmaz es 1300-2000G. Pero la pregunta es por qué tenemos que verificar el valor de Bmax nuevamente. Porque ajustamos el valor de los giros primarios de 3.2 a 3. Así que calculemos el valor de Bmax para Npri = 3 usando forumla anterior.
Bmax = Vin * 10 ^ 8/4 * f * Npri * Ac Bmax = 12 * 10 ^ 8/5 * 50000 * 3 * 1.25 = 1600G Entonces, el valor calculado de Bmax es 1600G, que se encuentra dentro del rango aceptable de densidad de flujo máxima. Es decir que podemos tomar Npri = 3 para más cálculos. El número primario de vueltas para el transformador de toma de centro de ferrita de extracción por presión es de 3 vueltas + 3 vueltas. En cualquier diseño, necesitará ajustar el valor de Npri si está en fracción. Puedes ajustarlo fácilmente. Pero necesita verificar el valor de Bmax todo el tiempo. Comenzamos con asumir el valor de Bmax y Npri calculado. Pero también puede comenzar con el valor de asunción de Npri y verificar el valor de la densidad de flujo máxima Bmax. Por ejemplo, suponga un valor de Npri = 1 y verifique el valor de Bmax y siga repitiendo este proceso, hasta que se encuentre en un rango aceptable.
Transformador de ferrita secundaria convierte el cálculo Ahora pasemos al segundo turno del núcleo de ferrita. En nuestro diseño, la salida del convertidor de CC a CC es de 310 voltios con cualquier voltaje de entrada. El voltaje de entrada es variable de 10.5 voltios a 13.5 voltios. Necesitaremos implementar Comentarios para obtener voltaje de salida regulado 310. Por lo tanto, tomaremos un valor de voltaje de salida un poco más alto de modo que con una entrada mínima posible aún podamos obtener un voltaje de salida de 310 voltios al cambiar el ciclo de trabajo de PWM. Entonces, deberíamos diseñar un transformador de núcleo de ferrita con una clasificación secundaria de 330 voltios. La realimentación ajustará el valor de la tensión de salida cambiando el ciclo de trabajo de PWM. También debe tener en cuenta las pérdidas y las caídas de tensión en los dispositivos de conmutación, y debe tenerlos en cuenta al diseñar el transformador. Por lo tanto, el transformador debe ser capaz de suministrar una salida de 330 voltios con una entrada de 13.5 voltios a 10.5 voltios. El ciclo de trabajo máximo para PWM es del 98% y el descanso del 2% se deja para el tiempo muerto. Durante el mínimo posible voltaje de entrada, el ciclo de trabajo será máximo. En el ciclo de trabajo máximo del 98%, el voltaje de entrada al transformador es 0.98 * 10.5 = 10.29 voltios. Al usar la relación de relación de voltaje de la fórmula del transformador = voltaje = 330 / 10.29 = 32.1. La relación de voltaje y la relación de vueltas en el transformador son iguales entre sí. De ahí N = 32. Así que conocemos todos los valores para calcul ar las vueltas secundarias del transformador de núcleo de ferrita. N = 32, Npri = 3 Nsec = N * Npri = 32 * 3 = 96
Así que el número de vueltas primarias es igual a 3 y el número de vueltas secundarias es igual a 96. Por lo tanto, se trata del cálculo de la relación de vueltas para los transformadores de alta frecuencia. Si tiene algún problema, hágamelo saber con sus comentarios.
