Kuinka lasketaan ferriittisydämuuntajat

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Ferriittimuuntajan laskeminen on prosessi, jossa insinöörit arvioivat muuntajan eri käämitysmääritykset ja ytimen ulottuvuuden käyttämällä ferriittiä ydinmateriaalina. Tämä auttaa heitä luomaan täydellisesti optimoidun muuntajan tietylle sovellukselle.

Postissa on yksityiskohtainen selitys siitä, kuinka räätälöidyt ferriittisydämuuntajat lasketaan ja suunnitellaan. Sisältö on helppo ymmärtää, ja se voi olla erittäin kätevä insinööreille, jotka työskentelevät tehoelektroniikka ja valmistaa SMPS-taajuusmuuttajia.



Laske ferriittimuuntajat taajuusmuuttajille ja SMPS: lle

Miksi ferriittiydintä käytetään suurtaajuusmuuttajissa

Olet saattanut miettiä usein ferriittisydämen käytön syytä kaikilla moderneilla kytkinmoodin virtalähteillä tai SMPS-muuntimilla. Aivan, sillä saavutetaan suurempi hyötysuhde ja pienikokoisuus verrattuna rautaydinsyöttöjännitteisiin, mutta olisi mielenkiintoista tietää, kuinka ferriittisydämet mahdollistavat tämän korkean hyötysuhteen ja kompaktiuden saavuttamisen?

Se johtuu sisään rautaydinmuuntajat, rautamateriaalilla on paljon huonompi magneettinen läpäisevyys kuin ferriittimateriaalilla. Sitä vastoin ferriittisydämillä on erittäin korkea magneettinen läpäisevyys.



Merkitys, kun ferriittimateriaali altistuu magneettikentälle, se voi saavuttaa erittäin korkean magnetoitumisasteen, paremmin kuin kaikki muut magneettisen materiaalin muodot.

Suurempi magneettinen läpäisevyys tarkoittaa pienempää pyörrevirran määrää ja pienempiä kytkentähäviöitä. Magneettisella materiaalilla on yleensä taipumus tuottaa pyörrevirtaa vastauksena nousevaan magneettitaajuuteen.

Taajuuden kasvaessa myös pyörrevirta kasvaa aiheuttaen materiaalin kuumenemisen ja kelan impedanssin kasvun, mikä johtaa edelleen kytkentähäviöihin.

Ferriittisydämet pystyvät korkean magneettisen läpäisevyytensä vuoksi toimimaan tehokkaammin suurilla taajuuksilla pienempien pyörrevirtojen ja pienempien kytkentähäviöiden vuoksi.

Nyt saatat ajatella, miksi et käytä matalampaa taajuutta, koska se päinvastoin auttaa vähentämään pyörrevirtauksia? Vaikuttaa pätevältä, mutta matalampi taajuus tarkoittaisi myös saman muuntajan kierrosten määrän lisäämistä.

Koska korkeammat taajuudet sallivat suhteellisesti pienemmän kierrosten määrän, muuntaja on pienempi, kevyempi ja halvempi. Siksi SMPS käyttää korkeaa taajuutta.

Taajuusmuuttajan topologia

Kytkintaajuusmuuttajissa poistuu normaalisti kahden tyyppinen topologia: työnnä-vedä ja Täysi silta . Työntöveto käyttää keskihanaa ensiökäämitystä varten, kun taas koko silta koostuu yhdestä käämisestä sekä ensisijaiselle että toissijaiselle.

Itse asiassa molemmat topologiat ovat luonteeltaan työntövoimia. Molemmissa muodoissa käämitystä käytetään MOSFET-laitteiden jatkuvasti vaihtavalla taaksepäin suuntautuvalla vaihtovirralla, värähtelemällä määritetyllä korkealla taajuudella, jäljitellen työntö-vetotoimintaa.

Ainoa perustavanlaatuinen ero näiden kahden välillä on, että keskikäämimuuntajan ensisijaisella puolella on 2 kertaa enemmän kierroksia kuin Full Bridge -muuntajassa.

Kuinka lasketaan ferriittisydänmuuntajan muuntaja

Ferriittisydämuuntajan laskeminen on itse asiassa melko yksinkertaista, jos sinulla on kaikki määritetyt parametrit kädessäsi.

Yksinkertaisuuden vuoksi yritämme ratkaista kaavan esimerkin avulla, joka on esimerkiksi 250 watin muuntaja.

Virtalähde on 12 V: n akku. Taajuus muuntajan kytkemiseksi on 50 kHz, tyypillinen luku useimmissa SMPS-taajuusmuuttajissa. Oletetaan, että lähtö on 310 V, joka on yleensä 220 V RMS: n huippuarvo.

Tässä 310 V: n korjaus tapahtuu nopean palautumisen avulla sillan tasasuuntaaja ja LC-suodattimet. Valitsemme ytimen ETD39: ksi.

Kuten me kaikki tiedämme, kun a 12 V: n akku käytetään, sen jännite ei ole koskaan vakio. Täydellä latauksella arvo on noin 13 V, joka laskee jatkuvasti, kun taajuusmuuttajan kuorma kuluttaa virtaa, kunnes lopulta akku purkautuu alimpaan rajaansa, joka on tyypillisesti 10,5 V. Joten laskelmissamme pidämme 10,5 V: n syöttöarvona V (min).

Ensisijaiset käännökset

Alla on vakiokaava ensisijaisen käännösten määrän laskemiseksi:

N (ensimmäinen)= V in (substantiivi)x 108/ 4 x f x B enintx TO c

Tässä N (ensimmäinen)viittaa ensisijaisiin käännösten numeroihin. Koska olemme valinneet esimerkissämme keskihanan työntövetotopologian, saatu tulos on puolet vaaditusta käännösten kokonaismäärästä.

  • Viini (sukunimi)= Keskimääräinen tulojännite. Koska keskimääräinen akkujännite on 12 V, otetaan Viini (sukunimi)= 12.
  • f = 50 kHz tai 50 000 Hz. Se on ensisijainen kytkentätaajuus, valitsemamme.
  • B enint= Suurin vuon tiheys Gaussissa. Tässä esimerkissä oletetaan B enintolla välillä 1300G - 2000G. Tämä on useimpien ferriittipohjaisten muuntajanydinten vakioarvo. Tässä esimerkissä asetetaan 1500 g: iin. Joten meillä on B enint= 1500. Suuremmat arvot B enintei suositella, koska tämä voi johtaa muuntajan kyllästymispisteeseen. Vastaavasti pienemmät arvot B enintvoi johtaa ytimen alikäyttöön.
  • TOc= Efektiivinen poikkileikkausala cm: nakaksi. Nämä tiedot voidaan kerätä ferriittisydämen taulukoista . Saatat myös löytää Acesitetään nimellä AOn. Valitun ytimenumeron ETD39 todellinen poikkileikkauspinta-ala, joka on annettu lomakkeessa, on 125 mmkaksi. Se on yhtä suuri kuin 1,25 cmkaksi. Siksi meillä on Ac= 1,25 ETD39: lle.

Yllä olevat luvut antavat meille arvot kaikille parametreille, joita tarvitaan SMPS-taajuusmuuttajan ensisijaisten kierrosten laskemiseen. Siksi korvaamalla vastaavat arvot yllä olevassa kaavassa saadaan:

N (ensimmäinen)= V in (substantiivi)x 108/ 4 x f x B enintx TO c

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

N (ensimmäinen)= 3,2

Koska 3,2 on murtoarvo ja sitä voi olla vaikea toteuttaa käytännössä, pyöristämme sen 3 kierrokseen. Ennen tämän arvon viimeistelemistä meidän on kuitenkin tutkittava, onko arvo B eninton edelleen yhteensopiva ja tämän uuden pyöristetyn arvon 3 hyväksyttävällä alueella.

Koska käännösten määrän pienentäminen aiheuttaa suhteellisen kasvun B enint, siksi on välttämätöntä tarkistaa, onko korotettu B eninton edelleen hyväksyttävällä alueella kolmen ensisijaisen käännöksemme aikana.

Vastatarkastus B enintkorvaamalla seuraavat olemassa olevat arvot:
Viini (sukunimi)= 12, f = 50000, N klo= 3, TO c= 1,25

B enint= V in (substantiivi)x 108/ 4 x f x N (ensimmäinen)x TO c

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

B enint= 1600

Kuten voidaan nähdä uusi B enintarvo N (at)= 3 kierrosta näyttää hyvältä ja on hyväksyttävän alueen sisällä. Tämä tarkoittaa myös sitä, että jos haluat milloin tahansa manipuloida niiden määrää N (ensimmäinen)käännökset, sinun on varmistettava, että se noudattaa vastaavaa uutta B enintarvo.

Päinvastoin voi olla mahdollista ensin määrittää B eninthalutulle ensiökierrosmäärälle ja säädä sitten käännösten lukumäärä tähän arvoon muokkaamalla sopivasti kaavan muita muuttujia.

Toissijaiset käännökset

Nyt tiedämme, kuinka lasketaan ferriitti-SMPS-invertterimuuntajan ensisijainen puoli, on aika tutkia toista puolta, joka on muuntajan toissijainen puoli.

Koska huippuarvon on oltava 310 V toissijaiselle, haluamme, että arvo säilyy koko akun jännitealueella alkaen 13 V - 10,5 V.

Epäilemättä meidän on käytettävä a palautejärjestelmä tasaisen lähtöjännitetason ylläpitämiseksi, akun matalan jännitteen tai nousevien kuormitusvirtausten torjumiseksi.

Mutta tätä varten on oltava jonkin verran yläreunaa tai päätyä tämän automaattisen ohjauksen helpottamiseksi. +20 V: n marginaali näyttää riittävän hyvältä, joten valitaan maksimilähtöjännitteeksi 310 + 20 = 330 V.

Tämä tarkoittaa myös sitä, että muuntaja on suunniteltava antamaan 310 V: n alimmalla 10,5 akun jännitteellä.

Palauteohjaukseen käytämme yleensä itsesäätyvää PWM-piiriä, joka laajentaa pulssin leveyttä alhaisen akun tai suuren kuormituksen aikana ja kapenee sitä suhteellisesti ilman kuormaa tai optimaalisissa paristo-olosuhteissa.

Tämä tarkoittaa, että heikko akku PWM: n on sopeuduttava automaattisesti maksimikäyttöjaksoon, jotta 310 V: n teho säilyisi. Tämän PWM-enimmäismäärän voidaan olettaa olevan 98% koko käyttöjaksosta.

2% ero jätetään kuolleeksi ajaksi. Kuollut aika on kunkin puolijaksotaajuuden välinen nollajänniteväli, jonka aikana MOSFETit tai tietyt virtalähteet pysyvät kokonaan pois päältä. Tämä takaa taatun turvallisuuden ja estää ampumisen MOSFET-laitteiden läpi työntöjaksojen siirtymäaikojen aikana.

Näin ollen syöttösyöttö on vähimmäisarvo, kun akun jännite saavuttaa minimitasonsa eli silloin V sisään= V (min)= 10,5 V. Tämä saa käyttöjakson olemaan korkeimmillaan 98%.

Yllä olevia tietoja voidaan käyttää laskemaan keskimääräinen jännite (DC RMS), joka tarvitaan muuntajan ensiöpuolelle 310 V: n tuottamiseksi sekundäärissä, kun akun varaus on vähintään 10,5 V. Tätä varten kerrotaan 98% 10,5: lla, koska nähtävissä alapuolella:

0,98 x 10,5 V = 10,29 V, tämän muuntajan ensisijaisen jännitteen tulee olla.

Nyt tiedämme enimmäisjännitteen, joka on 330 V, ja tiedämme myös ensiöjännitteen, joka on 10,29 V. Tämä antaa meille mahdollisuuden saada molempien sivujen suhde seuraavasti: 330: 10,29 = 32,1.

Koska jännitearvojen suhde on 32,1, kääntösuhteen tulisi olla myös samassa muodossa.

Merkitys, x: 3 = 32,1, jossa x = toissijaiset kierrokset, 3 = ensisijaiset kierrokset.

Tämän ratkaisemalla voimme nopeasti saada toissijaisen määrän käännöksiä

Siksi toissijaiset käännökset ovat = 96,3.

Kuva 96.3 on tarvitsemiemme kierrosten lukumäärä suunnitellulle ferriittimuunninmuuntajalle. Kuten aiemmin todettiin, koska murto-osia on vaikea toteuttaa käytännössä, pyöristämme sen 96 kierrokseen.

Tämä päättää laskelmamme ja toivon kaikkien lukijoiden olevan ymmärtäneet kuinka yksinkertaisesti laskea ferriittimuuntaja tietylle SMPS-invertteripiirille.

Lisäkäämityksen laskeminen

Apukäämitys on lisäkäämitys, jota käyttäjä voi tarvita ulkoiseen toteutukseen.

Oletetaan, että sekundäärisen 330 V: n lisäksi tarvitset toisen käämityksen saadaksesi 33 V: n LED-lampulle. Laskemme ensin toissijainen: ylimääräinen käännössuhde suhteessa sekundäärikäämiin 310 V. Kaava on:

NTO= Vsek/ (Vettä+ Vd)

NTO= toissijainen: apusuhde, Vsek= Toissijainen säädetty tasasuuntainen jännite, V.että= apujännite, Vd= Tasasuuntausdiodin diodin eteenpäin pudotusarvo. Koska tarvitsemme suurnopeusdiodin, käytämme schottky-tasasuuntaajaa, jolla on Vd= 0,5 V

Sen ratkaiseminen antaa meille:

NTO= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, pyöristetään se 9: ään.

Johdetaan nyt apukäämityksen edellyttämä kierrosten määrä, saamme tämän soveltamalla kaavaa:

Nettä= Nsek/ NTO

Missä Nettä= apukierrokset, Nsek= toissijaiset käännökset, NTO= apusuhde.

Aikaisemmista tuloksistamme meillä on Nsek= 96, ja NTO= 9, korvaamalla nämä yllä olevassa kaavassa:

Nettä= 96/9 = 10,66, pyöristämällä se antaa meille 11 kierrosta. Joten 33 V: n saamiseksi tarvitsemme 11 kierrosta toissijaisella puolella.

Joten tällä tavalla voit mitoittaa apukäämityksen oman mieltymyksesi mukaan.

Käärimistä

Tässä viestissä opimme kuinka laskea ja suunnitella ferriittisydänpohjaiset invertterimuuntajat seuraavien vaiheiden avulla:

  • Laske ensisijaiset käännökset
  • Laske toissijaiset käännökset
  • Määritä ja vahvista B enint
  • Määritä PWM-takaisinkytkennän ohjauksen enimmäisjännite
  • Etsi ensisijainen toissijainen käännössuhde
  • Laske toissijainen kierrosluku
  • Laske käämityksen apukierrokset

Edellä mainittujen kaavojen ja laskelmien avulla kiinnostunut käyttäjä voi helposti suunnitella räätälöidyn ferriittisydänpohjaisen taajuusmuuttajan SMPS-sovellusta varten.

Jos sinulla on kysyttävää tai epäilyksiä, käytä alla olevaa kommenttikenttää, yritän ratkaista sen aikaisintaan




Edellinen: Arduino-levyjen tyypit eritelmillä Seuraava: Digital-to-Analog (DAC), Analog-to-Digital (ADC) -muuntimet selitetty