كيفية حساب محولات قلب الفريت

يعد حساب محول الفريت عملية يقوم فيها المهندسون بتقييم مواصفات اللف المختلفة ، والبعد الأساسي للمحول ، باستخدام الفريت كمادة أساسية. هذا يساعدهم على إنشاء محول محسن تمامًا لتطبيق معين.

يقدم المنشور شرحًا مفصلاً حول كيفية حساب وتصميم محولات الفريت الأساسية المخصصة. المحتوى سهل الفهم ، ويمكن أن يكون مفيدًا جدًا للمهندسين العاملين في مجال إلكترونيات الطاقة ، وتصنيع محولات SMPS.

لماذا يتم استخدام قلب الفريت في محولات التردد العالي

ربما تساءلت كثيرًا عن السبب وراء استخدام النوى الفريتية في جميع مصادر الطاقة الحديثة لوضع التبديل أو محولات SMPS. صحيح ، من أجل تحقيق كفاءة واكتناز أعلى مقارنة بإمدادات الطاقة الأساسية من الحديد ، ولكن سيكون من المثير للاهتمام معرفة كيف تسمح لنا النوى الفريتية بتحقيق هذه الدرجة العالية من الكفاءة والاكتناز؟

هذا لأنه في محولات قلب الحديد، مادة الحديد لديها نفاذية مغناطيسية أدنى بكثير من مادة الفريت. في المقابل ، تمتلك نوى الفريت نفاذية مغناطيسية عالية جدًا.

بمعنى ، عند تعرضها لمجال مغناطيسي ، تكون مادة الفريت قادرة على تحقيق درجة عالية جدًا من المغنطة ، أفضل من جميع أشكال المواد المغناطيسية الأخرى.

تعني النفاذية المغناطيسية الأعلى ، كمية أقل من تيار الدوامة وخسائر تحويل أقل. تميل المادة المغناطيسية عادةً إلى توليد تيار دائري استجابةً لارتفاع التردد المغناطيسي.

مع زيادة التردد ، يزداد تيار الدوامة أيضًا مما يتسبب في تسخين المادة وزيادة مقاومة الملف ، مما يؤدي إلى مزيد من خسائر التحويل.

النوى الفريتية ، بسبب نفاذية مغناطيسية عالية ، قادرة على العمل بكفاءة أكبر مع ترددات أعلى ، بسبب التيارات الدوامية المنخفضة وخسائر التحويل المنخفضة

الآن قد تعتقد ، لماذا لا تستخدم التردد المنخفض لأن ذلك من شأنه أن يساعد على تقليل التيارات الدوامة؟ يبدو أنه صحيح ، ومع ذلك ، فإن التردد المنخفض يعني أيضًا زيادة عدد الدورات لنفس المحول.

نظرًا لأن الترددات العالية تسمح بعدد أقل نسبيًا من المنعطفات ، فإن المحولات تكون أصغر وأخف وزناً وأرخص. هذا هو السبب في أن SMPS تستخدم ترددًا عاليًا.

طبولوجيا العاكس

في محولات وضع التبديل ، عادة ما يكون هناك نوعان من الطوبولوجيا: الدفع والسحب و جسر كامل . يستخدم سحب الدفع صنبورًا مركزيًا للملف الأساسي ، بينما يتكون الجسر الكامل من ملف واحد لكل من الأساسي والثانوي.

في الواقع ، كلا الطوبولوجيا هي في طبيعتها قوة دفع. في كلا الشكلين ، يتم تطبيق اللف بتيار متناوب عكسي مستمر للتبديل إلى الأمام بواسطة MOSFETs ، يتأرجح عند التردد العالي المحدد ، محاكياً إجراء الدفع والسحب.

الاختلاف الأساسي الوحيد بين الاثنين هو أن الجانب الأساسي من محول الصنبور المركزي يحتوي على ضعف عدد المنعطفات مقارنة بمحول الجسر الكامل.

كيفية حساب محول العاكس الفريت

يعد حساب المحولات الأساسية الفريتية في الواقع أمرًا بسيطًا للغاية ، إذا كان لديك جميع المعلمات المحددة في متناول اليد.

من أجل التبسيط ، سنحاول حل الصيغة من خلال مثال تم إعداده ، دعنا نقول لمحول 250 واط.

سيكون مصدر الطاقة بطارية 12 فولت. سيكون تردد تبديل المحول 50 كيلو هرتز ، وهو رقم نموذجي في معظم محولات SMPS. سنفترض أن الناتج هو 310 فولت ، وهي عادةً قيمة الذروة لـ 220 فولت RMS.

هنا ، سيكون الجهد 310 فولت بعد التصحيح من خلال استرداد سريع جسر المعدل ، ومرشحات LC. نختار النواة ETD39.

كما نعلم جميعًا ، عندما يكون ملف بطارية 12 فولت يتم استخدامه ، الجهد هو غير ثابت أبدًا. عند الشحن الكامل ، تبلغ القيمة حوالي 13 فولت ، والتي تستمر في الانخفاض نظرًا لأن حمل العاكس يستهلك الطاقة ، حتى يتم تفريغ البطارية في النهاية إلى أدنى حد لها ، والذي يبلغ عادةً 10.5 فولت ، لذلك بالنسبة لحساباتنا ، سنعتبر 10.5 فولت كقيمة إمداد الخامس _{في (دقيقة)}.

المنعطفات الابتدائية

الصيغة القياسية لحساب العدد الأساسي من المنعطفات موضحة أدناه:

ن _(أول)= الخامس _{في (اسم)}× 10⁸/ 4 × F x ب _الأعلىx إلى _ج

هنا ن _(أول)يشير إلى أرقام المنعطفات الأساسية. نظرًا لأننا حددنا طوبولوجيا سحب الدفع المركزي في مثالنا ، فإن النتيجة التي تم الحصول عليها ستكون نصف إجمالي عدد الدورات المطلوبة.

• نبيذ _{(الكنية)}= متوسط ​​جهد الإدخال. نظرًا لأن متوسط ​​جهد البطارية لدينا هو 12 فولت ، فلنأخذ نبيذ _{(الكنية)}= 12.
• F = 50 كيلو هرتز أو 50000 هرتز. إنه تردد التحويل المفضل ، كما هو محدد من قبلنا.
• ب _الأعلى= كثافة التدفق القصوى في Gauss. في هذا المثال ، سنفترض ب _الأعلىلتكون في حدود 1300 جرام إلى 2000 جرام. هذه هي القيمة القياسية لمعظم نوى المحولات الفريتية. في هذا المثال ، دعنا نستقر عند 1500 جرام. اذا لدينا ب _الأعلى= 1500. قيم أعلى من ب _الأعلىلا ينصح به لأن هذا قد يؤدي إلى وصول المحول إلى نقطة التشبع. على العكس من ذلك ، فإن القيم الأدنى لـ ب _الأعلىقد يؤدي إلى عدم استخدام اللب.
• إلى_ج= المساحة المقطعية الفعالة بالسنتيمتر^اثنين. يمكن جمع هذه المعلومات من أوراق البيانات الخاصة بنوى الفريت . قد تجد أيضًا A_جيتم تقديمها على أنها أ_يكون. بالنسبة للرقم الأساسي المحدد ETD39 ، فإن مساحة المقطع العرضي الفعالة المتوفرة في ورقة البيانات هي 125 مم^اثنين. هذا يساوي 1.25 سم^اثنين. لذلك لدينا ، أ_ج= 1.25 لـ ETD39.

تعطينا الأرقام المذكورة أعلاه القيم لجميع المعلمات المطلوبة لحساب المنعطفات الأولية لمحول العاكس SMPS الخاص بنا. لذلك ، باستبدال القيم المعنية في الصيغة أعلاه ، نحصل على:

ن _(أول)= الخامس _{في (اسم)}× 10⁸/ 4 × F x ب _الأعلىx إلى _ج

ن _(أول)= 12 × 10⁸/ 4 × 50000 × 1500 × 1.2

ن _(أول)= 3.2

نظرًا لأن 3.2 هي قيمة كسرية وقد يكون من الصعب تنفيذها عمليًا ، فسنقربها إلى 3 لفات. ومع ذلك ، قبل إنهاء هذه القيمة ، يتعين علينا التحقق مما إذا كانت قيمة ب _الأعلىلا يزال متوافقًا وضمن النطاق المقبول لهذه القيمة المقربة الجديدة 3.

لأن تقليل عدد المنعطفات سيؤدي إلى زيادة متناسبة في ب _الأعلىلذلك يصبح من الضروري التحقق مما إذا كانت الزيادة ب _الأعلىلا يزال ضمن النطاق المقبول لثلاث دورات أساسية.

فحص العداد ب _الأعلىعن طريق استبدال القيم الموجودة التالية نحصل عليها:
نبيذ _{(الكنية)}= 12 ، F = 50000 ، ن _في= 3 ، إلى _ج= 1.25

ب _الأعلى= الخامس _{في (اسم)}× 10⁸/ 4 × F x ن _(أول)x إلى _ج

ب _الأعلى= 12 × 10⁸/ 4 × 50000 × 3 × 1.25

ب _الأعلى= 1600

كما يتضح من الجديد ب _الأعلىقيمة ن _(في)= 3 لفات تبدو جيدة وضمن النطاق المقبول. هذا يعني أيضًا أنه إذا شعرت في أي وقت بالرغبة في التلاعب بعدد ن _(أول)يتحول ، يجب عليك التأكد من أنه يتوافق مع الجديد المقابل ب _الأعلىالقيمة.

على العكس من ذلك ، قد يكون من الممكن تحديد ملف ب _الأعلىللعدد المطلوب من المنعطفات الأولية ثم اضبط عدد الدورات على هذه القيمة عن طريق تعديل المتغيرات الأخرى في الصيغة بشكل مناسب.

المنعطفات الثانوية

الآن نحن نعرف كيفية حساب الجانب الأساسي لمحول العاكس الفريت SMPS ، حان الوقت للنظر في الجانب الآخر ، هذا هو الجزء الثانوي من المحول.

نظرًا لأن قيمة الذروة يجب أن تكون 310 فولت للثانوية ، فإننا نرغب في الحفاظ على القيمة لنطاق جهد البطارية بالكامل بدءًا من 13 فولت إلى 10.5 فولت.

لا شك أننا سنضطر إلى توظيف أ نظام التغذية الراجعة للحفاظ على مستوى جهد خرج ثابت ، لمواجهة انخفاض جهد البطارية أو ارتفاع تغيرات الحمل الحالية.

ولكن لهذا يجب أن يكون هناك هامش علوي أو هامش علوي لتسهيل هذا التحكم التلقائي. يبدو هامش A +20 V جيدًا بما يكفي ، لذلك نختار أقصى جهد ذروة للإخراج مثل 310 + 20 = 330 فولت.

هذا يعني أيضًا أنه يجب تصميم المحول لإخراج 310 فولت بأقل جهد بطارية 10.5.

للتحكم في التغذية الراجعة ، نستخدم عادةً دائرة PWM ذاتية الضبط ، والتي تعمل على توسيع عرض النبضة أثناء انخفاض البطارية أو الحمل العالي ، وتضيقها بشكل متناسب أثناء عدم وجود حمل أو ظروف البطارية المثلى.

هذا يعني ، في ظروف البطارية منخفضة يجب ضبط PWM تلقائيًا على دورة العمل القصوى ، للحفاظ على الناتج 310 فولت. يمكن افتراض أن هذا الحد الأقصى من PWM هو 98٪ من إجمالي دورة العمل.

يتم ترك فجوة 2٪ للوقت الميت. الوقت الميت هو فجوة الجهد الصفري بين كل تردد نصف دورة ، حيث تظل MOSFETs أو أجهزة الطاقة المحددة مغلقة تمامًا. يضمن ذلك أمانًا مضمونًا ويمنع إطلاق النار عبر دوائر MOSFET أثناء الفترات الانتقالية لدورات سحب الدفع.

ومن ثم ، سيكون إمداد الإدخال عند الحد الأدنى عندما يصل جهد البطارية إلى الحد الأدنى ، وهذا هو الوقت الخامس _في= الخامس _{في (دقيقة)}= 10.5 فولت. سيؤدي هذا إلى دفع دورة العمل إلى أن تكون بحد أقصى 98٪.

يمكن استخدام البيانات المذكورة أعلاه لحساب متوسط ​​الجهد (DC RMS) المطلوب للجانب الأساسي من المحول لتوليد 310 فولت في المرحلة الثانوية ، عندما تكون البطارية عند الحد الأدنى 10.5 فولت. لهذا نضرب 98 ٪ مع 10.5 ، كما ظاهر أدناه:

0.98 × 10.5 فولت = 10.29 فولت ، هذا هو تصنيف الجهد الذي من المفترض أن يتمتع به محولنا الأساسي.

الآن ، نحن نعرف الحد الأقصى للجهد الثانوي وهو 330 فولت ، ونعرف أيضًا الجهد الأساسي وهو 10.29 فولت. وهذا يسمح لنا بالحصول على نسبة الضلعين على النحو التالي: 330: 10.29 = 32.1.

نظرًا لأن نسبة تصنيفات الجهد هي 32.1 ، يجب أن تكون نسبة الدوران أيضًا بنفس التنسيق.

المعنى ، x: 3 = 32.1 ، حيث x = المنعطفات الثانوية ، 3 = المنعطفات الأساسية.

لحل هذا يمكننا الحصول بسرعة على العدد الثانوي من المنعطفات

لذلك فإن المنعطفات الثانوية = 96.3.

الرقم 96.3 هو عدد الدورات الثانوية التي نحتاجها لمحول العاكس الفريت المقترح الذي نصممه. كما ذكرنا سابقًا ، نظرًا لأنه من الصعب تنفيذ الصمامات الكسرية عمليًا ، فإننا نقوم بتقريبها إلى 96 دورة.

هذا يخلص حساباتنا وآمل أن يكون جميع القراء هنا قد أدركوا كيفية حساب محول الفريت ببساطة لدائرة عاكس SMPS محددة.

حساب اللف المساعد

اللف المساعد هو لف تكميلي قد يحتاجه المستخدم لبعض التنفيذ الخارجي.

لنفترض ، جنبًا إلى جنب مع 330 فولت في المرحلة الثانوية ، أنك بحاجة إلى ملف آخر للحصول على 33 فولت لمصباح LED. نحسب أولا ثانوي: مساعد نسبة الدوران فيما يتعلق بتصنيف الملف الثانوي 310 فولت. الصيغة هي:

ن_إلى= V._ثانية/ (الخامس_الى+ V._د)

ن_إلى= ثانوي: نسبة مساعدة ، V._ثانية= الجهد المعدل الثانوي المنظم ، V_الى= الجهد الإضافي ، الخامس_د= قيمة إسقاط الصمام الثنائي الأمامي للديود المعدل. نظرًا لأننا نحتاج إلى الصمام الثنائي عالي السرعة هنا ، فسوف نستخدم مقوم شوتكي مع V_د= 0.5 فولت

يمنحنا حلها:

ن_إلى= 310 / (33 + 0.5) = 9.25 فلنقربها إلى 9.

الآن دعنا نشتق عدد الدورات المطلوبة للملف الإضافي ، نحصل على ذلك من خلال تطبيق الصيغة:

ن_الى= ن_ثانية/ ن_إلى

أين ن_الى= المنعطفات المساعدة ، N_ثانية= المنعطفات الثانوية ، ن_إلى= النسبة المساعدة.

من نتائجنا السابقة لدينا N_ثانية= 96 و ن_إلى= 9 ، مع استبدالها بالصيغة أعلاه نحصل على:

ن_الى= 96/9 = 10.66 ، تقريبه يعطينا 11 دورة. إذن للحصول على 33 فولت ، نحتاج إلى 11 لفة في الجانب الثانوي.

وبهذه الطريقة ، يمكنك تحديد أبعاد الملف الإضافي حسب تفضيلاتك الخاصة.

تغليف

في هذا المنشور ، تعلمنا كيفية حساب وتصميم محولات العاكس القائمة على أساس الفريت ، باستخدام الخطوات التالية:

• حساب المنعطفات الأساسية
• احسب المنعطفات الثانوية
• تحديد وتأكيد ب _الأعلى
• تحديد الحد الأقصى من الجهد الثانوي للتحكم في ردود الفعل PWM
• البحث عن نسبة الدوران الابتدائية الثانوية
• احسب عدد الدورات الثانوية
• حساب المنعطفات المساعدة

باستخدام الصيغ والحسابات المذكورة أعلاه ، يمكن للمستخدم المهتم بسهولة تصميم عاكس مخصص قائم على أساس حديدي لتطبيق SMPS.

للأسئلة والشكوك ، لا تتردد في استخدام مربع التعليقات أدناه ، وسأحاول حلها في أقرب وقت ممكن