Transformatorul cu miez de ferita criterii de selectie

[cavit]

Pentru un model care sa reflecte realitatea intr-o oarecare masura trebuie identificate variabilele care definesc comportamentul dispozitivului.

Unele variabile sunt recunoscute de toata lumea altele sunt mai subtile.

Materialul si geometria miezului sunt evidente, materialul sectiunea si constructia conductoarelor de asemenea.

La frecventa mare exista insa neomogenitati in distribuitia campului magnetic in miez si a curentului in conductoare prin efect de proximitate, din acest motiv comportamentul real este mai prost decat cel modelat cu un model care nu include aceste variabile.

Exista in acest caz o abordare pragmatica des folosita care nu implica modelare: impartirea transformatorui in mai multe transformatoare mai mici, in transformatoarele mai mici neomogenitatile sunt mai mici la frecvente  mari.

 

Un avantaj al acestei abordari este disipatia mai buna a caldurii ,un dezavataj este tensiunea de strapungera a izolatiei derece pe trrasformatore mai mici nu se pot pune izolatii groase.

Geometria si materialul miezurilor sunt deja optimizate, pe vremuri se gaseau miezuri din materiale exotice si cu geometrii exotice.

 

Miezurile ee70 si altele de dimensiuni similare merg optim in jur de 20 -30 kHz se pot folosi pana la 50 ee65 optim la 40 merg pana la 70 ee59 50 merg pana la100, cu cat sunt mai mici limitarea principala este dictata de material.

Daca dorim o izolatie puternica putem urca cu miezul ee70 la 50 khz, dar performata este suboptimala.

Torurile au geometria mai apropiata de forma ideala, dar izolatia e dificil de realizat  si miezul de dificil de racit daca este bobinat jur imprejur, in plus nu exista versiunea cu intrefier, dar exista materiale greu saturabile cum este sendust.

 

O varianta constructiva pentru a reduce efectul de proximitate este bobinarea cu litz wire dedesupt si deasupra unei bobine de platbanda, insa in cazul in care ambele infasurari sunt duble cu priza mediana nu este de preferat deoarece capacitatea intre cele doua platbande bobinate in paralel este mare. in acest caz iese mai bine tot cu litz wire.

Tot datorita efectului de proximitate combinat cu racirea mai buna a unui bobinaj cu staturi putine este posibil sa fie mai bine cu conductor de sectiune mai mica pe straturi putine, de exemplu doar doua in loc de 4.

Disiparea caldurii dintr-un bobinaj care contine goluri de aer e foarte proasta, impregnarea lui in vid cu un material termoconductor cum este siliconul imbunatateste mult conductia termica, dar creste capacitatile intre spire. fapt ce poate crea probleme.

 

https://odr.chalmers.se/server/api/core/bitstreams/2f36d0c8-79aa-4c15-8609-ce0b5c47ecdb/content

 

selectii foto 1 neomogenitatea campului magnetic, 2 efectul de proximitate

 

 

[ionut90]

Bine, bine... stii cumva un exemplu practic concret pentru o sursa in comutatie half-bridge cum se bobineaza transformatorul ? Si cum evit o cadere de tensiune prea mare intre cea de mers in gol si cea de sarcina pe iesirea sursei (DC) ? 

[ola_nicolas]

Pentru caderea de tensiune in sarcina pe infasurare, exista relatii de calcul in diferitele materiale bibliografice de referinta. Caderea de tensiune reala depinde insa de rezistenta reala in ohm, tinand cont de toate fenomenele posibile: efect de suprafata (skin effect) efect de proximitate, etc. In faza de proiectare / calcul a trafului, se face doar o predimensionare teoretica a acestor caderi de tensiune. Ele se determina practic, numai dupa realizarea trafului, prin masurare directa. Ca sa eviti o cadere exagerata de tensiune, ar trebui sa faci in faza de proiectare / calcul o asanumita "optimizare" astfel incat suma puterilor pierdute pe cuprul bobinelor sa fie egala cu suma puterilor pierdute in miezul de ferita. In acel moment, randamentul trafului va fi maxim. O asemenea optimizare este insa forte dificila si de regula randamentul real va fi intotdeauna mai mic decat cel optim.

Editat Iunie 25, 2023 de ola_nicolas

[cavit]

Am desfacut traful dintr-un invertor pip 4048m 3 kw steady stade, acela e bobinat exact cum am expus in postarea intiala, o bobina de platbanda de doua spire 4x 0,5 mm grosime 48v intre doua straturi de litzwire 3 manunchiuri 12x0,3 400v pe doua miezuri ee 59 suprapuse. functioneaza la 50 Khz temperatura miezului la mersul in gol  cu racire pasiva este de 25 grade peste ambient.

 

Caderea de tensiune in sarcina depinde de mai multi parametri nu doar de constructia transformatorului,

Cota cea mai mare o are factorul de umplere, in cazul in care se foloseste un dead time mai mic de 200ns pentru frecventa de 50 khz deja nu mai conteaza la caderea de tensiune in sarcina si nu mai necesita inductor la iesire.

Al doilea este rezistenta in conductie a tranzistoarelor, la tensiuni mici conteaza vizibil.

 

De retinut: in gol complet in bucla deschisa orice sursa in comutatie scoate mult datorita fenomenelor tranzitorii, in practica la mine sursa de 150v scoate peste 500v, dar este irelevant, ce conteaza este rezistenta interna dinamica in sarcina variabila, in cazul sursei respective fiind usor de masurat deorce este o sursa de izolare galvanica intr-un sistem solar.

 

Regimul de functionare e urmatorul forward bucla deschisa unda continua dead time 150ns, 50 khz, tensiune de iesire fixa 150v dictata de restul electronicii, curent de iesire 0-20a, la 1 a am 145v la intrare la 20 a am 150v la intrare, rezistenta interna dinamica pe domeniul 1-20a in bucla deschisa este putin peste 0,2 ohm, dupa parerea personala OK, sursa este in functiune, pot face si alte masuratori.

La capitolul frecventa trebuie facut un compromis, transformatorul fiind deja construit si avand un anumit cuplaj/ inductanta de scapari, Daca urcam frecventa in anunite limite miezul se va magnetiza mai putin in gol si se va incalzi mai putin, dar pierderile in sarcina si rezistenta interna dinamica vor creste.

 

Cel mai simplu este optimizarea din doua directii, construit transformatorul provizoriu si lucrat cu frecventa pana se obtine optimul, apoi definitivat transformatorul.

Exemplu miezul ee70 3c90 cu 2x5 spire littzwire 12 awg, dc bus 150v topologie pushpull unda continua, la 40 khz in gol miezul disipa caa 15w la 50 khz  disipa caa 10 w la 80 khz caa15 w.

 

In sarcina cu 2 kw performeaza cel mai bine la 40Khz chiar daca magnetizarea in gol e mai puternica, la 80 khz e aproape inutilizabil pentru 2 kw cu bobinajul acesta.

 

Daca impartim transformatorul pe 4 miezuri etd 39 din acelasi material al caror volum cumulat e apropiat de un ee 70 putem urca la  100 khz fara probleme,

 

 

Editat Iunie 25, 2023 de cavit

[ola_nicolas]

Acum 3 ore, cavit a spus:

... Daca impartim transformatorul pe 4 miezuri etd 39 din acelasi material al caror volum cumulat e apropiat de un ee 70 putem urca la  100 khz fara probleme ...

Suma maselor celor patru trafuri pe miezuri ETD39 (8 jumatati de miez) are aproximativ 240 grame. Un miez format din doua jumatati E71, are aproximativ 520 grame, deci mai mult decat dublul celor 4 trafuri. Caldura acumulata este direct proportionala cu masa. Apoi, suprafetele totale de disipatie a caldurii, sunt si ele foarte importante. Este de asteptat ca suprafetele de disipatie ale celor 4 trafuri (8 jumatati de miez ETD39) sa fie per total mai mari decat suprafata trafului format din 2 miezuri E71 si deci eficienta de disipatie termica este tot in avantajul celor 4 trafuri utilizand ETD39.

Editat Iunie 25, 2023 de ola_nicolas

[cavit]

Corect, mai mult decat atit la 100 khz trebuie putina ferita decat la 50 khz din acest motiv se poate obtine cam aceeasi putere cu 4 ETD 39.

EE70- 71 este cel mai mare dintre cele comune ETD 59 e cel mai mare dintre ETD-uri si asa sunt cam mari pentru frecventele care le utilizam astazi, dorim sa iese mai usor, avem tranzistoare care merg, dar transformatorul trebuie impartit pe mai multe mai mici,

o alta abordare este utilizarea a doua miezuri EE suprapuse de exemplu doua mizuri EE59 sau doua miezuri EE65.

 

Am gasit in anumite documentatii o varianta de a taia miezul de ferita in felii similar tolelor, curentii turbionari sunt destul de mari in mezurile mari cu multi volti pe spira.

Curentii turbionari sunt una din cauzele neomogenitatii campului in coloana centrala.

 

 

 

Editat Iunie 26, 2023 de cavit

[ola_nicolas]

La 26.06.2023 la 14:35, cavit a spus:

... la 100 khz trebuie putina ferita decat la 50 khz din acest motiv se poate obtine cam aceeasi putere cu 4 ETD 39 ...

Necesitatea unui miez de dimensiuni mai mici, deriva in mod direct din legea inductiei electromagnetice: . Avand in vedere ca pierderile in miez sunt direct proportionale cu inductia magnetica B, iar Φ = B/S (S fiind aria efectiva a miezului) rezulta ca pentru a pastra aceleasi pierderi in miez si deci acelasi randament al trafului, inductia B trebuie micsorata, iar pentru a se pastra acelasi flux prin miez, trebuie micsorata proportional si aria efectiva a sectiunii miezului. Puterea totala obtinuta de la traf, poate fi mai mare (o asemenea teorie, era sustinuta de utilizatorul @smilex) dar curentii dezvoltati in infasurari vor mari pierderile totale ale trafului, care ii modifica in consecinta regimul termic.

[cavit]

Dorinta este sa mergem cu frecventa in granita materialului din care e realizat miezul, asta impune impartirea lui in mai multe transformatoare mai mici peste o anumita putere totala, alteori vrem ceva simplu si sau izolatie groasa, alegem un miez ceva mai mare.

 

Exista un aspect neplacut referitor la racire la transformator comparativ cu tranzistorii, anume bobinajul care contine goluri de aer e foarte dificil de racit. asta impune ventilatie fortata pentru a obtine un transformator de dimensuni rezonabile. sau a putea grupa compact transformatoare mai mici.

Racirea cu apa se practica rar la transformatoarele de ferita deoarece nu se ajunge la puteri foarte mari pe un transformator, este complicata si degradeaza semnificativ randamentul convertorului.

 

Exista in schimb practica inglobarii transformatorului in rasina sau silicon si montarea lui pe radiator, din cele studiate de mine rasina nu prea are conductivitate termica minunata, siliconul e mai bun, dar in silicon am vazut destul de rar.

Ar fi de luat in calcul si varianta clasica cu ulei de transformator sau ulei siliconic.

 

Iata un exemplu  simplificat pentru un invertor de 12v la 230v forward:

https://www.wellpcb.com/ferrite-core-transformer.html

In cazul constructiilor diy uneori putem accepta functionarea in bucla deschisa in conditii limita, de exemplu baterie descarcata, pentru a reduce pretentiile legate de transformator, sau a imbunatati putin randamentul convertorului in punctul in care functioneaza de obicei.

Personal am obtinut un compromis favotabil utilizand un convertor forward izolat impreuna cu un convertor buck, astfel pot reduce tensiunea, implicit pierderile in transformator mai bine decat utilizand PWM in conditiile unei functionari mai stabile si a unei protectii simple.

Utilizarea pwm are anumite dezavantaje, in gol consuma mai putin decat combinatia buck unda continua, dar in sarcina incepand de pe la 5% din puterea nominala pierderea e mai mare, pierderea in conductoare e mare in regim pwm la factori de umplere relativ mici, suplimentar PWM creaza un stress de varfuri de tensiune pe tranzistoare si diode necesita snubbere si clampuri complicate si piese la tensiuni mai mari mai scumpe, per total iese mai ieftin buck si unda continua decat PWM, mai ales in constructii DIY unde simplitatea e paramount.

In cazul convertorului cu rezonanta, LLC, de exemplu, transformatorul presteaza semnificativ mai  bine deoarece curentii sunt sinusoidali, insa e greu de realizat in regim diy, exista o varianta autooscilanta controlata cu amplificator magnetic  folosita de Sony pe vremuri.

[cavit]

Proba timpului miezuri mici mai multe vs miez mare, inductanta de scapari mai mica, nu se mai arde la scurtcircuit.

 

Protectia de destul de dificil de setat sa-si faca treaba, dar sa nu te enerveze, in cazul in care citesti curentul la iesire din dc/dc in caz de scurt total protectia se va pune cu siguranta deorece se descarca condensatorul de la iesire prin shunt/senzor de curent, cand nu e scurt total e mai complicat, setata prea jos va decupla la fiecare surge, setata prea sus arde convertorul, regimul tranzitor in asfel de situatii e puternic influentat de inductanta de scapari a transformatorului.