El cálculo de un transformador de ferrita es un proceso en el que los ingenieros evalúan las diversas especificaciones del devanado y la dimensión del núcleo del transformador, utilizando ferrita como material del núcleo. Esto les ayuda a crear un transformador perfectamente optimizado para una aplicación determinada.
La publicación presenta una explicación detallada sobre cómo calcular y diseñar transformadores de núcleo de ferrita personalizados. El contenido es fácil de entender y puede ser muy útil para los ingenieros que se dedican al campo de electrónica de potencia y fabricación de inversores SMPS.
Por qué se utiliza el núcleo de ferrita en convertidores de alta frecuencia
Es posible que a menudo se haya preguntado la razón detrás del uso de núcleos de ferrita en todas las fuentes de alimentación de modo conmutado o convertidores SMPS modernos. Correcto, se trata de lograr una mayor eficiencia y compacidad en comparación con las fuentes de alimentación con núcleo de hierro, pero sería interesante saber cómo los núcleos de ferrita nos permiten alcanzar este alto grado de eficiencia y compacidad.
Es porque en transformadores de núcleo de hierro, el material de hierro tiene una permeabilidad magnética mucho menor que el material de ferrita. Por el contrario, los núcleos de ferrita poseen una permeabilidad magnética muy alta.
Es decir, cuando se somete a un campo magnético, el material de ferrita es capaz de lograr un grado muy alto de magnetización, mejor que todas las demás formas de material magnético.
Una mayor permeabilidad magnética significa una menor cantidad de corrientes parásitas y menores pérdidas de conmutación. Un material magnético normalmente tiene una tendencia a generar corrientes parásitas en respuesta a una frecuencia magnética creciente.
A medida que aumenta la frecuencia, las corrientes parásitas también aumentan, lo que provoca el calentamiento del material y aumenta la impedancia de la bobina, lo que conduce a más pérdidas de conmutación.
Los núcleos de ferrita, debido a su alta permeabilidad magnética, pueden trabajar de manera más eficiente con frecuencias más altas, debido a corrientes parásitas más bajas y menores pérdidas de conmutación.
Ahora puede pensar, ¿por qué no utilizar una frecuencia más baja, ya que a la inversa ayudaría a reducir las corrientes parásitas? Parece válido, sin embargo, una frecuencia más baja también significaría aumentar el número de vueltas para el mismo transformador.
Dado que las frecuencias más altas permiten un número proporcionalmente menor de vueltas, el transformador es más pequeño, liviano y económico. Es por eso que SMPS usa una alta frecuencia.
Topología del inversor
En los inversores de modo conmutado, normalmente existen dos tipos de topología: push-pull y Puente completo . El push pull emplea una toma central para el devanado primario, mientras que el puente completo consta de un solo devanado tanto para el primario como para el secundario.
En realidad, ambas topologías son de naturaleza push-pull. En ambas formas, el devanado se aplica con una corriente alterna de conmutación inversa hacia adelante mediante los MOSFET, que oscilan a la alta frecuencia especificada, imitando una acción de empujar y tirar.
La única diferencia fundamental entre los dos es que el lado primario del transformador de derivación central tiene 2 veces más número de vueltas que el transformador de puente completo.
Cómo calcular el transformador inversor con núcleo de ferrita
Calcular un transformador de núcleo de ferrita es bastante simple, si tiene todos los parámetros especificados a mano.
Para simplificar, intentaremos resolver la fórmula mediante una configuración de ejemplo, digamos para un transformador de 250 vatios.
La fuente de alimentación será una batería de 12 V. La frecuencia para cambiar el transformador será de 50 kHz, una cifra típica en la mayoría de los inversores SMPS. Asumiremos que la salida es de 310 V, que normalmente es el valor máximo de 220 V RMS.
Aquí, el 310 V estará después de la rectificación mediante una rápida recuperación. puente rectificador y filtros LC. Seleccionamos el núcleo como ETD39.
Como todos sabemos, cuando un Batería de 12 V se utiliza, su voltaje nunca es constante. Con carga completa, el valor es de alrededor de 13 V, que sigue cayendo a medida que la carga del inversor consume energía, hasta que finalmente la batería se descarga a su límite más bajo, que suele ser 10,5 V. Por lo tanto, para nuestros cálculos consideraremos 10,5 V como el valor de suministro para V en (min).
Turnos primarios
La fórmula estándar para calcular el número principal de vueltas se da a continuación:
norte (primero)= V in (nombre)x 108/ 4 x F x B maxx A c
Aquí norte (primero)se refiere a los números de turno primarios. Dado que en nuestro ejemplo hemos seleccionado una topología push-pull de tap central, el resultado obtenido será la mitad del número total de vueltas requeridas.
- Vino (apellido)= Voltaje de entrada promedio. Dado que nuestro voltaje promedio de batería es de 12 V, tomemos Vino (apellido)= 12.
- F = 50 kHz o 50.000 Hz. Es la frecuencia de conmutación preferida, seleccionada por nosotros.
- B max= Densidad de flujo máxima en Gauss. En este ejemplo, asumiremos B maxestar en el rango de 1300G a 2000G. Este es el valor estándar de la mayoría de los núcleos de transformadores basados en ferrita. En este ejemplo, fijémonos en 1500G. Entonces tenemos B max= 1500. Valores más altos de B maxno se recomienda ya que esto puede resultar en que el transformador alcance el punto de saturación. Por el contrario, los valores más bajos de B maxpuede resultar en una subutilización del núcleo.
- Ac= Área de sección transversal efectiva en cm2. Esta información se puede recopilar de las hojas de datos de los núcleos de ferrita . También puede encontrar Acsiendo presentado como Aes. Para el número de núcleo seleccionado ETD39, el área de sección transversal efectiva proporcionada en la hoja de datos es de 125 mm2. Eso es igual a 1,25 cm.2. Por lo tanto tenemos, Ac= 1,25 para ETD39.
Las cifras anteriores nos dan los valores de todos los parámetros necesarios para calcular las espiras primarias de nuestro transformador inversor SMPS. Por lo tanto, sustituyendo los valores respectivos en la fórmula anterior, obtenemos:
norte (primero)= V in (nombre)x 108/ 4 x F x B maxx A c
norte (primero)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
norte (primero)= 3.2
Dado que 3,2 es un valor fraccionario y puede ser difícil de implementar en la práctica, lo redondearemos a 3 vueltas. Sin embargo, antes de finalizar este valor, tenemos que investigar si el valor de B maxsigue siendo compatible y está dentro del rango aceptable para este nuevo valor redondeado 3.
Porque, disminuir el número de vueltas provocará un aumento proporcional en la B max, por lo tanto, es imperativo comprobar si el aumento B maxtodavía está dentro del rango aceptable para nuestros 3 giros principales.
Comprobación de contador B maxsustituyendo los siguientes valores existentes obtenemos:
Vino (apellido)= 12, F = 50000, norte a= 3, A c= 1.25
B max= V in (nombre)x 108/ 4 x F x norte (primero)x A c
B max= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B max= 1600
Como puede verse el nuevo B maxvalor por norte (a)= 3 vueltas se ve bien y está dentro del rango aceptable. Esto también implica que, si en algún momento tiene ganas de manipular el número de norte (primero)vueltas, debe asegurarse de que cumpla con las nuevas B maxvalor.
De manera opuesta, puede ser posible determinar primero el B maxpara un número deseado de vueltas primarias y luego ajuste el número de vueltas a este valor modificando adecuadamente las otras variables en la fórmula.
Turnos secundarios
Ahora que sabemos cómo calcular el lado primario de un transformador inversor SMPS de ferrita, es hora de mirar hacia el otro lado, que es el secundario del transformador.
Dado que el valor máximo tiene que ser 310 V para el secundario, querríamos que el valor se mantuviera para todo el rango de voltaje de la batería comenzando desde 13 V a 10,5 V.
Sin duda tendremos que emplear un Sistema de retroalimentación para mantener un nivel de voltaje de salida constante, para contrarrestar un voltaje de batería bajo o variaciones de corriente de carga crecientes.
Pero para esto tiene que haber algún margen superior o margen para facilitar este control automático. Un margen de +20 V se ve lo suficientemente bien, por lo tanto, seleccionamos el voltaje pico de salida máximo como 310 + 20 = 330 V.
Esto también significa que el transformador debe estar diseñado para generar 310 V al voltaje de batería más bajo de 10,5.
Para el control de retroalimentación normalmente empleamos un circuito PWM autoajustable, que amplía el ancho de pulso durante la batería baja o carga alta, y lo estrecha proporcionalmente cuando no hay carga o en condiciones óptimas de batería.
Esto significa, en condiciones de batería baja el PWM debe ajustarse automáticamente al ciclo de trabajo máximo, para mantener la salida estipulada de 310 V. Se puede suponer que este PWM máximo es el 98% del ciclo de trabajo total.
La brecha del 2% se deja como tiempo muerto. El tiempo muerto es la brecha de voltaje cero entre cada frecuencia de medio ciclo, durante el cual los MOSFET o los dispositivos de potencia específicos permanecen completamente apagados. Esto garantiza una seguridad garantizada y evita disparos a través de los MOSFET durante los períodos de transición de los ciclos de empujar y tirar.
Por lo tanto, el suministro de entrada será mínimo cuando el voltaje de la batería alcance su nivel mínimo, es decir, cuando V en= V en (min)= 10,5 V. Esto hará que el ciclo de trabajo esté en su máximo 98%.
Los datos anteriores se pueden usar para calcular el voltaje promedio (CC RMS) requerido para que el lado primario del transformador genere 310 V en el secundario, cuando la batería está en el mínimo de 10.5 V. Para esto, multiplicamos 98% por 10.5, como mostrado a continuación:
0.98 x 10.5 V = 10.29 V, este es el voltaje nominal que se supone que tiene nuestro primario de transformador.
Ahora, conocemos el voltaje secundario máximo que es 330 V, y también sabemos el voltaje primario que es 10.29 V. Esto nos permite obtener la relación de los dos lados como: 330: 10.29 = 32.1.
Dado que la relación de las clasificaciones de voltaje es 32,1, la relación de giro también debe estar en el mismo formato.
Es decir, x: 3 = 32,1, donde x = vueltas secundarias, 3 = vueltas primarias.
Resolviendo esto, podemos obtener rápidamente el número secundario de turnos.
Por lo tanto, los giros secundarios son = 96,3.
La figura 96.3 es el número de vueltas secundarias que necesitamos para el transformador inversor de ferrita propuesto que estamos diseñando. Como se indicó anteriormente, dado que los valores fraccionarios son difíciles de implementar en la práctica, lo redondeamos a 96 vueltas.
Esto concluye nuestros cálculos y espero que todos los lectores aquí se hayan dado cuenta de cómo calcular simplemente un transformador de ferrita para un circuito inversor SMPS específico.
Cálculo de bobinado auxiliar
Un devanado auxiliar es un devanado suplementario que un usuario puede necesitar para alguna implementación externa.
Digamos que, junto con los 330 V en el secundario, necesita otro devanado para obtener 33 V para una lámpara LED. Primero calculamos el secundario: auxiliar relación de giro con respecto a la clasificación de 310 V del devanado secundario. La formula es:
norteA= Vsegundo/ (Vhacia+ VD)
norteA= secundario: relación auxiliar, Vsegundo= Voltaje rectificado secundario regulado, Vhacia= tensión auxiliar, VD= Valor de caída directa del diodo para el diodo rectificador. Como necesitamos un diodo de alta velocidad aquí, usaremos un rectificador Schottky con un VD= 0,5 V
Resolverlo nos da:
norteA= 310 / (33 + 0.5) = 9.25, redondeemos a 9.
Ahora derivemos el número de vueltas requeridas para el devanado auxiliar, lo obtenemos aplicando la fórmula:
nortehacia= Nsegundo/ NA
Donde Nhacia= vueltas auxiliares, Nsegundo= vueltas secundarias, NA= relación auxiliar.
De nuestros resultados anteriores tenemos Nsegundo= 96 y NA= 9, sustituyéndolos en la fórmula anterior obtenemos:
nortehacia= 96/9 = 10,66, redondearlo nos da 11 vueltas. Entonces, para obtener 33 V, necesitaremos 11 vueltas en el lado secundario.
De esta manera, puede dimensionar un devanado auxiliar según sus preferencias.
Terminando
En esta publicación, aprendimos cómo calcular y diseñar transformadores inversores basados en núcleo de ferrita, siguiendo los siguientes pasos:
- Calcular giros primarios
- Calcular giros secundarios
- Determinar y confirmar B max
- Determine el voltaje secundario máximo para el control de retroalimentación PWM
- Encuentre la relación de giro primaria secundaria
- Calcular el número secundario de vueltas
- Calcular vueltas de bobinado auxiliar
Usando las fórmulas y cálculos mencionados anteriormente, un usuario interesado puede diseñar fácilmente un inversor basado en núcleo de ferrita personalizado para la aplicación SMPS.
Para preguntas y dudas, no dude en usar el cuadro de comentarios a continuación, intentaré resolverlo lo antes posible.
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