Sagen Sie ein Wort über einen Impulstransformator

Published on March 22, 2016

Sagen Sie ein Wort über einen Impulstransformator

Trotz der Tatsache, dass vor nicht allzu langer Zeit recht gut geschriebene Artikel über die Berechnung eines Transformators eines Schaltnetzteils ausgelassen wurden, werde ich Ihnen meine Methode anbieten und nicht nur eine bloße Methode, sondern die transparenteste Beschreibung der darin verwendeten Prinzipien.

Es wird keine Bilder geben, es gibt ungefähr 18 einfache Formeln und viel Text. Jeder, der mitmachen möchte, bitte.

Ich möchte Ihnen sagen, wie man ein so schlaues Biest als Impulstransformator der Flyback-Stromquelle berechnet. Ein Reverse-Switch oder FlyBack ist wahrscheinlich die beliebteste Topologie eines Impulskonverters. Meiner Meinung nach gibt es im IIP zwei sehr wichtige und subtile Punkte - einen Transformator und eine Rückkopplungsschleife. In diesem Artikel möchte ich eine der möglichen Gruppen von einfachen mathematischen Gleichungen aufzeigen, mit deren Hilfe wir Daten eines vollständig realen Transformators für das Flyback erhalten können.

Im Internet, in verschiedenen Autorenartikeln oder in AppNotes verschiedener Hersteller finden Sie verschiedene Berechnungsmethoden, die oft so weit wie möglich „komprimiert“ werden, sodass die Formeln nicht verstehen, wie sie funktionieren. Ich möchte mich nicht auf die Genauigkeit konzentrieren, sondern auf maximale Klarheit und Transparenz der durchgeführten Berechnungen, damit Sie verstehen, warum dies so ist.

Als Nächstes werde ich versuchen, kurz und ausführlich zu schreiben, so dass Sie sich sofort nach dem Lesen des Artikels hinsetzen und zählen können. Ich werde keine Diagramme der Spannungen und Ströme in der Rücklaufquelle zeichnen, ich bin der Meinung, dass Sie für Begriffe wie "Streuinduktivität", "reflektierte Spannung", "Spitzenstrom durch den Leistungsschalter", "Entmagnetisierung des Magnetkreises" ausreichend vorbereitet sind sind klar.

Wir werden also den Transformator der Rückspeisestromquelle ohne Leistungsfaktorkorrektur als den gebräuchlichsten betrachten, und meine "Berechnung" wird dafür nur geschärft.

Unabhängig davon werde ich eine Notiz machen, die eine sogenannte impliziert. quasi-resonante Betriebsweise des Wandlers, wenn unmittelbar nach der vollständigen Entmagnetisierung des Magnetkreises das Einpumpen von Energie in den Transformator beginnt. Ie so genannte "Stromdurchgangskoeffizient" = 1, d.h. Sobald die gesamte Energie durch die Sekundärwicklung geflossen ist (und in der Lieferkette verbraucht ist), schalten Sie den Schlüssel sofort ein und pumpen Sie ihn wieder auf. Ein solches Regime war in letzter Zeit in Flyback-Energiequellen sehr beliebt ermöglicht eine leichte Steigerung der Effizienz.

Ich werde im Voraus reservieren - die Methode ist sehr grob, aber sie funktioniert, sie wurde wiederholt an realen Transformatoren in realen Stromquellen getestet.

Laden Sie zunächst die Berechnung herunter, öffnen Sie sie und fahren Sie über Ihre Augen. Die Werte für die Berechnung des Transformators der Stromquelle mit einer Ausgangsleistung von 100 W wurden bereits "hineingetrieben".

Berechnung: Leider wird der öffentliche Link aus unbekannten Gründen nicht angezeigt.
Möglicherweise verstößt die Veröffentlichung öffentlicher Links gegen die Regeln. Ich hoffe, dass die Moderatoren diesen Schrei aus dem Herzen hören und mir eine personalisierte Filtereinstellung senden, aber jetzt können Sie Excel oder matkad mit allen unten stehenden Formeln neu schreiben und ein gutes Ergebnis erzielen.



Also lass uns gehen. Um die Berechnung zu starten, müssen wir einige Ausgangsparameter angeben (alle werden in der Berechnung grün hervorgehoben), und zwar:

1. Die Ausgangsleistung der Stromquelle, für die ein Transformator hergestellt wird (POUTmax).
2. Ausgangsspannungsquelle (Uout) (1).
3. Die Ausgangsspannung der Dienstwicklung (Ubias) (2).
4. Minimale Versorgungsspannung (UACmin) (3).
5. Maximale Netzspannung (UACmax) (3).
6. Der Welligkeitsgrad am Filterkondensator des Netzgleichrichters (Urpl) (4).
7. Der erwartete Wirkungsgrad des Transformators (0,85 nehmen und nicht verlieren) (ŋ).
8. Frequenz des Wechselrichters (5).
9. Spitzenwert des durch die Schlüsselschalt-Primärwicklung (ILPRpeak) fließenden Stroms (6).

(1) Wenn die Ausgangsspannungen niedrig genug sind, muss der Gleichspannungsabfall an der Diode berücksichtigt werden.
(2) Bei der großen Mehrheit der Stromversorgungskonzepte ist eine dritte Wicklung erforderlich, von der der Steuerchip gespeist wird.
(3) Nehmen Sie immer eine Aktie mit, d. H. Wenn der Bereich zwischen 180 und 264 liegt, nehmen Sie zwischen 160 und 280.
(4) Dieser Parameter kann oft nur erraten werden. Nehmen Sie 10% der konstanten Komponente und Sie werden nichts falsch machen. Der resultierende Prototyp wird in der Berechnung „ausgebaggert“.
(5) Frequenz zu Wandlern mit der Erwartung einer Entmagnetisierung des Kernschwebens, nehmen wir "von der Decke" den, den wir bei Volllast erreichen wollen.
(6) Ich hoffe, Sie wissen, dass die aktuelle Form dreieckig ist, dass der Schlüssel wechselt, was der Schlüssel ist usw.

Also die erste Formel:
Wir beginnen mit der Definition der Induktivität der Primärwicklung Lpr.
Lpr = (1000 × 2 × POUTmax) / (ŋ × F × ILPRpeak ^ 2) (1)

Der Einfachheit halber werde ich die Effizienz rauswerfen, und ein Faktor von 1000, der nur benötigt wird, um das Ergebnis von Henrys Mikro zu bringen, hat die folgende Gleichung:

Lpr = (2 × POUTmax) / (F × ILPRpeak ^ 2) (1,1)

Wie dies geschieht, ist auf den ersten Blick völlig unverständlich. Versuchen wir es zu konvertieren. Übertragen der Multiplikatoren von rechts nach links erhalten wir.

(Lpr × ILPRpeak ^ 2) / 2 = POUTmax / F (1,2)

Verwandle die rechte Seite, wir bekommen:

(Lpr × ILPRpeak ^ 2) / 2 = POUTmax × T (1,3)

Im linken Teil haben wir also die Energie, die in der Induktivität enthalten ist (Physiklehrbuch, wenn es nicht klar ist). Im rechten Teil haben wir den Stromverbrauch während des Umrichterbetriebs. Ie Die in der Induktivität der Primärwicklung gespeicherte Energie (im Pumpstadium vom Beginn der Periode bis zum Öffnen des Schlüssels) ist gleich der über die gesamte Periode T auf die Last übertragenen Leistung (vom Beginn des Pumpens bis zur Erschöpfung der Energie im Transformator und Beginn des neuen Impulses).

Im stationären Zustand sollte das, was aus dem Netzwerk in den Transformator gepumpt wurde, dem entsprechen, was in die Last eingegossen wurde. Ie Alle Argumente deuten darauf hin, dass unsere Quelle bereits funktioniert und nicht startet.

Lassen wir diese Formel (1) vorläufig, wir werden sie später in der Berechnung verwenden. Ich wollte nur demonstrieren, wie es so aussieht.
Nun zu den Parametern. Schauen wir uns die Formel an. Indem wir drei von vier Unbekannten festlegen (nach unserem Ermessen auswählen), können wir den Wert des vierten Wertes ermitteln.

Power (POUTmax) haben wir bereits eingestellt.

Frequenz können Sie einfach nach Belieben wählen. Ohne weiteres, sagen wir 50kHz und verlieren nicht. Ein Anstieg über 150 kHz ist es nicht wert, da der Schaltverlust unangemessen hoch wird, und selbst der Skin-Effekt wird im Flyback nicht benötigt.

Der Spitzenwert des Stroms durch die Primärwicklung und gleichzeitig der Schlüssel - ILPRPeak - ist ein Parameter, auf dessen Nerven wir spielen werden. Indem wir seinen Wert ILPRPeak wählen, ändern wir den Lpr und damit viele andere Dinge. In meiner Berechnung werden wir ILPRpeak ändern und andere Zellen der Tabelle beobachten, die die Ergebnisse anderer Formeln enthalten. Um der Realität näher zu kommen, können Sie für eine 100-Watt-Quelle ILPRpeak = 3 ... 4A zum Starten einstellen.

Versuchen Sie einfach, verschiedene Zahlen in der Zelle zu ersetzen, und Sie werden sehen, wie sich andere abgeleitete Parameter ändern. Bei der Wahl des Spitzenstroms der „Primärspannung“ betrachten wir insbesondere die „reflektierte“ Spannung und gehen von den Überlegungen der Schlüssel aus, die wir haben. Dieser Parameter beeinflusst auch den Spitzenwert des "sekundären" Stroms, was ebenfalls wichtig ist, da die Ströme in Flybacks die Form eines rechtwinkligen Dreiecks haben und die Spitzenwerte um ein Vielfaches höher sind als die effektiven, d. H. Wenn der Laststrom 5 A beträgt, kann die Spitze 50 sein, durch das Vorhandensein von Dioden und Verluste in der Kupferwicklung geführt werden.

Die zweite Formel:

UDCmin = UACmin × 1,41-Urpl (2)

Es gibt nichts zu vereinfachen, ich denke, es ist klar, dass wir den schlechtesten Wert der Konstantspannung erhalten, wenn man den Abzug des Pufferkondensators berücksichtigt, der sich hinter dem Netzwerkgleichrichter oder hinter dem CMC befindet.

Ton = (Lpr × ILPRpeak) / UDCmin (3)

In der Formel (3) berechnen wir, wie viel Zeit der Schlüssel offen sein muss, damit der Strom in der Induktivität, wenn unser schlechtester UDCmin auf ihn angewendet wird, von Null auf den gewünschten ILPRpeak steigt.

T = 1 / F × 1000 (4) 

Wir haben die Frequenz früher eingestellt, die Periode wurde in (4) berechnet. Wir multiplizieren mit 1000, weil wir die gewünschte Frequenz in kHz und nicht in 1000 Hertz aufgenommen haben.

Toff = T-Ton (5)

Der Rest der Periode, die für die Energieübertragung auf die Last verwendet wird, wird durch die Formel (5) berechnet.

Q = Toff / Tonne (6)

Der maximale Füllfaktor für die schlechteste Spannung im Netzwerk und die maximale Abnahme des Filterkondensators wird in (6) berechnet.

Urv = UDCmin × Ton / Toff (7)

"Reflektierte" Spannung. Unser Transformator ist zwar ein Sperrwandler, aber immer noch ein Transformator, und daher ist auch das Übersetzungsverhältnis dazu anwendbar. Wenn an unserer Sekundärwicklung während eines Stromflusses durch eine Gleichrichterdiode die Spannung (zum Beispiel) 12,7 V beträgt, dann wird diese Spannung durch das Verhältnis der Anzahl der Windungen in die Primärwicklung umgewandelt (weil der magnetische Fluss alle Wicklungen gleichzeitig wäscht).

Formel (7), etwas knifflig, versuchen wir es loszulassen. Wir bekommen:

UDCmin × Ton = Urv × Toff (7,1)

(7.1) Zeigt einen sehr wichtigen Punkt, der allgemein als "Gleichheit von Volt * Sekundenintervallen" bezeichnet wird. Vielleicht ist die Gültigkeit der Aussage (7.1) nicht offensichtlich oder nicht sofort klar, solange wir den numerischen Wert verwenden, der unter Verwendung von (7) erlangt wird, nicht an seiner Gültigkeit zweifeln.

UVTmax = UACmax × 1,41 + Urv (8)

Ich hoffe, Sie verstehen gut, dass bei der Rückkehr die Primärwicklung für eine konstante Spannung nur ein Stück Draht auf dem Filterkondensator ist, d. H. Wenn unser Filterkondensator noch immer auf 310 V aufgeladen ist, fließt der Strom bei geöffnetem Leistungsschalter durch die Sekundärwicklung, die Konstante „durchläuft“ einfach die Primärwicklung und wird an den Schalter angelegt. Die reflektierte Spannung wird jedoch auch zum Schalter addiert. Und das Traurigste ist, dass es eine Konstante ergibt. Und dies, ohne die Emission aus der Streuinduktivität zu berücksichtigen, bedenken Sie, dass dieser Umstand in der Berechnung besonders rot hervorgehoben wird.

Dann zeigt (8), welche Spannung am Rückhub am Netzschalter anliegt. Sie können sofort die maximale Spannung hinzufügen, auf der der Schlüssel entworfen ist, immer noch auf der Spannung 200 und so können Sie nichts falsch machen. Das Layout zeigt die tatsächliche Amplitude des von der Streuinduktivität erzeugten Spannungsstoßes.

Jetzt können wir das Transformatorverhältnis berechnen, zum Beispiel:

Kfb = Uout / Urv (9)

Ich nenne dieses Umwandlungsverhältnis "invers", weil Er wird rückwärts betrachtet. Nun das klassische Transformationsverhältnis, das erhalten werden kann:

K = 1 / Kfb (10)

Als Nächstes berechnen wir die maximale Spannung, die an die Gleichrichterdiode im Durchlasspfad des Umrichters angelegt wird. Sie sind sich wohl bewusst, dass es sich um die Summe der Spannung am Filterkondensator der Last handelt, die im Betrieb als konstant betrachtet werden kann und durch ein Übersetzungsverhältnis die an die Primärwicklung angelegte Spannung transformiert.

UVDmax = Uout + (VACmax × 1,41) / K (11)

Und vergessen Sie nicht, dass die Emissionen aus den parasitären Induktivitäten der Transformatorwicklungen einschließlich der Diode wirken. Wenn wir über Quellen mit hohen Ausgangsspannungen sprechen, nehmen Sie eine Spannungsspanne von mindestens 200 V. Bei niedriger Spannung mindestens 1,5 und schauen Sie den Gleichrichter vorsichtig mit einem Oszilloskop an.

Weiter

Lsec = Lpr / K ^ 2 (12)

Aus (12) erhalten wir die Induktivität der Sekundärwicklung des Transformators. Die Regel, die in der Formel verwendet wird, besagt, dass "die Induktivitäten der Transformatorwicklungen als Quadrate ihrer Windungen miteinander verbunden sind", da Ausdruck kann dargestellt werden als:

Lsec / Lpr = N2 ^ 2 / N1 ^ 2 (12,1) (N2 ^ 2 / N1 ^ 2 = K ^ 2)

Berechnen Sie als nächstes den Spitzenstrom der Sekundärwicklung. Bereiten Sie sich darauf vor, ausreichend große Zahlen zu erhalten, da dies ein "Rückfluss" ist und der Strom im "sekundären Gehäuse" dreieckig ist und der Spitzenwert deutlich höher als der Laststrom sein kann.

ILSECpeak = √ (1000 × 2 × POUTmax) / (F × × Lsec) (13)

Diese Formel wird auf dieselbe Weise wie die erste Formel für ILPRpeak konvertiert.

ILSECrms = ILSECpeak√ (1-Q) / 3 (14)

In (14) wird der effektive Stromwert durch die Sekundärwicklung des Transformators berechnet. Ich kann nicht erklären, warum die Wurzel von (1-Q) / 3 ist, wahrscheinlich kann dies durch Plotten und Zurücksetzen auf Geometrie erklärt werden. Hier schätzen wir auch den Effektivwert des Stroms der Primärwicklung.

ILPRrms = ILPRmax √Q / 3 (15)

Es werden also Induktivitäten, Ströme und Frequenzen berechnet. Und wie man einen Magnetkern wählt, fragt man, wie man einen nichtmagnetischen Spalt berechnet? Zunächst werden wir es basierend auf unserer Lebenserfahrung „schätzen“ und seine Parameter in die Berechnung „getrieben“ haben. Nachdem wir die berechnete Induktion betrachtet haben, können wir einen anderen Magnetkreis wählen. Hier wollte ich eine Stromquelle von 100W mit einer Ausgangsspannung von 12V. Ich nehme den Magnetkern „PQ2620“ „von der Decke“.

Aus seinem Datenblatt schreibe ich Ae, die geschätzte Lücke und den Induktionskoeffizienten für eine gegebene Lücke (in Epcos-Datenblättern wird oft eine Tabelle mit Standardlücken für einen bestimmten Magnetkreis und Al- und äquivalente Permeabilitätswerte angegeben). Wenn für den gewünschten Lücken keine Daten zum Al-Koeffizienten vorhanden sind, müssen Sie ihn (die Lücke) erstellen, den Test um 100 Windungen wickeln und ihn mit der einfachen Formel Al = √ (L / N ^ 2) berechnen, wobei L der gemessene Induktivitätswert im Kern ist Bei einer Lücke, die Sie durchgesägt haben, ist N die Anzahl der Umdrehungen, die Sie skizziert haben (ich empfehle, den Versuch 100 Umdrehungen zu schütteln).

Erklären Sie, dass Ae, G und Al dies nicht tun werden, vorausgesetzt, dass Sie selbst wissen, warum Sie eine Lücke im Magnetkern benötigen, und dass Al. Auch die äquivalente Permeabilität des Kerns mit einer Lücke kann in die Berechnung eingegeben werden, wird dort jedoch nicht verwendet (rein aus Schönheitsgründen). In Formel (16) berücksichtigen wir die erforderliche Anzahl von Windungen.

Npr = √ Lpr / Al (16)

Einer der wichtigsten Parameter für einen Transformator ist der Spitzenwert des magnetischen Induktionsflusses.

B = (Lpr × ILPRpeak) / (Npr × Ae) (17)

Um den Wert von 0,3 zu überschreiten, empfehle ich grundsätzlich nicht, und 0,4 ist eine Katastrophe. Zufälligerweise scheint dieser Magnetkreis gut zu unseren Bedürfnissen zu passen. Die Induktion beträgt weniger als 0,3 TL, und ich möchte sie unter unsere Bedürfnisse stellen. Leider enthält die Berechnung keine Formeln zur Berechnung der Füllung des Magnetfensters des Magnetkreises, daher ist es unmöglich, ein abschließendes Urteil darüber abzugeben.

Ist die Induktion größer als 0,3 Tl, können wir entweder einen größeren Magnetkern wählen oder den Spalt vergrößern. Wenn wir den Abstand vergrößern, erhalten wir einen anderen Wert von Al und gem. Induktionsflusswert.

Im Allgemeinen zeigt die Lebenserfahrung, dass es besser ist, nicht in die Lücken von mehr als 1,5 mm zu klettern. Weil sie ihre eigenen parasitären Phänomene haben, wie etwa das Ausbeulen magnetischer Feldlinien, das Erwärmen der nahe der Lücke befindlichen Spulen auf Temperaturen, bei denen sie kurz "Khan" werden können von 0,2 mm bis 1,5 mm. Weniger als 0,2 - Temperaturausdehnung des Materials kann die Parameter des Transformators erheblich verändern. Mehr als 1,5 mm - schrieb oben.

Bei der Wahl des Magnetkerns, dh beim Vergleich verschiedener Modelle, nur entlang des Kernquerschnitts (Ae), kann man die Tatsache aus den Augen verlieren, dass die Länge der Magnetlinie auch Al mit demselben Querschnitt und gleicher Lücke beeinflusst.

Zum Beispiel hat der PQ2620-Magnetkern eine Kernfläche von 122 mm.kv, und ETD34 ist nur 97 mm.kv, aber die Längen der Magnetleitungen dieser Magnetkreise sind unterschiedlich, und Sie können auch 100W erfolgreich durch ETD34 sowie durch PQ2620 pumpen. Ich meine, nehmen Sie bei der Berechnung alle Ferrrite, die sich in der Nähe der Größen befinden, die Ihrer Meinung nach die gewünschte Leistung erzeugen können.
Nach dem Berechnen der magnetischen Induktion bei der Berechnung wird die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung und der Hilfswicklung berechnet, ich werde nicht speziell darauf eingehen, die Methodik ist dieselbe wie zuvor.

Ich hoffe, das Obige wird Ihnen nützlich sein. Die Entwicklung eines IIP ist ein riesiges Reservoir an angewandter Wissenschaft, und diese "Berechnung" ist nur ein kleines Blatt eines Talmuds, in dem alle Erfahrungen der Menschheit gesammelt werden, aber im angewandten Plan ist es äußerst nützlich, einfache "Flybacks" zu entwickeln.

Meine „Berechnung“ (und nicht wirklich meine, aber vom ideologischen Mastermind geerbt) ist ein ziemlich primitives Werkzeug, daher kann ich die Verwendung von Programmen von Vladimir Denisenko empfehlen, die leicht über eine Suchmaschine gefunden werden können. Diejenigen, die im Thema "Macht" "hacken" und etwas zu sagen haben, meinen Kollegen in Kommentaren. Jede Kritik ist willkommen!

Was ist nicht klar - fragen Sie, ich werde den Artikel mit ausführlicheren Erklärungen ergänzen.