محاسبات هسته فریت و هرآنچه لازم است راجب هسته فریت بدانید

هسته فریت

هسته فریت


چطور محاسبات مربوط به ترانسفورماتور هسته فریت را انجام دهیم ؟

محاسبات ترانسفورماتور فریت ،فرآیندیست که در آن مهندسان مشخصات مختلف سیم پیچی و ابعاد هسته ترانسفورماتور را بررسی میکنند. امروز میخواهیم در سایت ایران پاور به این موضوع به صورت دقیق و جزئی فراتر از  آنچه در سایت های فارسی زبان دیگر وجود دارند بپردازیم.همچنین به سوالات مهم دیگری مانند اینکه چرا از ترانسفورماتور های هسته فریت برای فرکانس های بالا استفاده میشود.

این آموزش بسیار ساده و قابل فهم نوشته شده و قابل استفاده برای  تمامی علاقه مندان و مهندسان حوزه ی الکترونیک قدرت و سازندگان اینورترهای منابع تغذیه سوئیچینگ نوشته شده است.

نمونه ای از یک ترانس هسته فریت

نمونه ای از یک ترانس هسته فریت

چرا هسته فریت برای مبدل های فرکانس بالا استفاده میشوند؟

ممکنه شما از علت اصلی استفاده از هسته فریت در تمامی منابع تغذیه سوئیچینگ مدرن شگفت زده شوید.از دلایل این استفاده میتوان به راندمان بالاتر و ابعاد بسیار کوچک تر نسبت به منابع تغذیه با هسته ی آهنی اشاره کرد. اما به نظر شما هسته های فریت چطور به ما اجازه میدهند این حجم زیاد از راندمان بالا و کاهش حجم را به صورت همزمان داشته باشیم؟

پاسخ این سوال در این نکته است که در هسته ترانسفورماتورهای آهنی، ماده ی آهن چگالی شار (B) بسیار بیشتری از فریت دارد.همچنین میدانیم  μ = B/H .برای اطلاع دقیق تر از این موضوع به جدول زیر دقت کنید.معنی این موضوع آن است هنگامی که در مورد میدان مغناطیسی صحبت میکنیم ، ماده ی فریت توانایی بسیار بالایی در مگنتایزینگ داشته و بهتر از سایر مواد مغناطیسی با تلفات ناشی از جریان گردابی کمتری عمل کند.(تلفات گردابی همانطور که میدانید با توان دوم فرکانس کاری سیستم و توان دوم چگالی شار رابطه دارد و چگالی شار اشباع هسته های فریت میتواند تا یک دهم کوچک تر از هسته های نوع آهنی باشد.)

جدول مقایسه مواد مختلف

جدول مقایسه مواد مختلف

همانطور که ذکر شد ، با افزایش فرکانس ، جریان گردابی افزایش یافته و سبب افزایش گرم شدن ماده و افزایش امپدانس کویل ما میشود.در نتیجه ی آن تلفات سوئیچ زنی بالاتر میرود.

هسته های فریت ، به دلیل نفوذ پذیری مغناطیسی بالایی که دارند میتوانند راندمان بالاتری را در فرکانس های بالاتر داشته (به دلیل جریان های گردابی کمتر و تلفات سوئیچینگ کمتر.)

ممکن است شما فکر کنید چرا فرکانس کاری سیستم خود را کاهش ندهیم تا در نتیجه ی آن کمک شود به کاهش جریان های گردابی ؟

در پاسخ به این سوال میتوان گفت کاهش فرکانس میتواند به معنی افزایش تعداد دورها در یک فرکانس مشخص شود.درحالیکه افزایش فرکانس میتواند سبب کاهش تعداد دورها شده و در نتیجه ی آن ابعاد ترانسفورماتور کوچک تر ،سبک تر و ارزان تر خواهد شد. این دقیقا علت استفاده از فرکانس بالا در منابع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS ها است.

همچنین بخوانید : روش های کاربردی افزایش راندمان مبدل های الکترونیک قدرت

ساختار اینورتر :

در اینورترهای مد سوئیچینگ ،به طور معمول دو ساختار اساسی وجود دارند. پوش پول و تمام پل (Full Bridge) .پوش پول ساختاریست که در آن یک تپ یا انشعاب مرکزی برای سیم پیچی اولیه نیاز داریم. درحالیکه ساختار تمام پل به طور معمول یک سیم پیچ برای اولیه و برای ثانویه نیاز است.

همچنین بخوانید :جزوه الکترونیک صنعتی

در واقع هر دو ساختار در ذات خود پوش پول هستند.تنها تفاوت بنیادی آن ها این است که سمت اولیه ترانسفورماتور سر مرکز دار ما دارای تعداد دور هایی برابر با دو برابر ترانسفورماتور تمام پل است.

شکل a.ساختار dc به dc که در آن اینورتر تمام پل وجود دارد.b. کلیت ساختار پوش پول

شکل a.ساختار dc به dc که در آن اینورتر تمام پل وجود دارد.b. کلیت ساختار پوش پول

 

چطور هسته فریت ترانسفورماتور اینورتر خود را محاسبه کنیم ؟

در صورتی که تمامی پارامترهای مورد نیاز را داشته باشیم محسابه هسته ترانس فریت کاری بسیار ساده خواهد بود. برای راحتی ما سعی میکنیم از  طریق یک مثال عملی تمامی آنچه مورد نیاز است را برای شما توضیح دهیم.بگذارید فرض کنیم برای ترانسفورماتور 250 وات میخواهیم این کار را انجام دهیم.

منبع ورودی ما باتری 12 ولتیست.فرکانس سوئیچ زنی برای ترانسفورماتور 50 کیلوهرتز در نظر گرفته میشود(معمول ترین در اینورترهای منابع تغذیه سوئیچینگ)فرض کنیم خروجی ما میخواهیم 310 ولت باشد که این مقدار معمولا حداکثر ولتاژ در حالتیست که 220ولت RMS داریم.

همچنین بخوانید : جزوه الکترونیک قدرت 2 سال 98-99

همانطور که میدانیم ، هنگامی که باتری 12 ولتی استفاده میشود، این ولتاژ هرگز ثابت نیست.در هنگام شارژ کامل مقدار آن حدود 13 ولت است که این مقدار همچنان کاهش پیدا میکند در هنگام داشتن بار در خروجی اینورتر،تا جایی که سر انجام باتری در حداقل مقدار خود دشارژ شود که این مقدار  معمولا 10.5 ولت است.بنابراین ما نیز در محاسبات خود این نکته را در نظر داشته و حداقل مقدار ولتاژ ورودی Vin(min) در نظر میگیریم.

بخش دوم توضیحات  (مثال عملی ):

تعداد دور های اولیه :

فرمول استاندارد برای محاسبه تعداد دورهای اولیه به شکل زیر است :

N(prim) = Vin(nom) x 108 / 4 x f x Bmax x Ac

که در آن  Nprim بیانگر تعداد دور های اولیه است.از آنجاییکه ترکیب مورد نظر ما در این محاسبات ترانسفورماتور دارای سر مرکزی مناسب برای ساختارهای پوش پول است ، این فرمول تعداد دورهای نصف مورد نیاز را نشان میدهد.

Vinnom بیانگر متوسط ولتاژ ورودی. که در مثال عملی ما ولتاژ باتری برابر با 12 ولت است و بنابراین این پارامتر  را 12 درنظر میگیریم.

f بیانگر فرکانس سوئیچ زنیست که آن را 50 کیلوهرتز در نظر میگیریم.

Bmax بیانگر حداکثر چگالی شار بر حسب گاوس (هر گاوس برابر 0.0001 تسلا )است .در این مثال ، ما فرض خواهیم کرد Bmax در حدود 1300 الی 2000 گاوس است.این مقدار متداول ترین و استانداردترین مقدار برای هسته های فریت ترانسفورماتور است.در این مثال این پارامتر 1500 گاوس در نظر میگیریم.

نکته ی مهم :

در نظر گرفتن مقدار بالاتری برای Bmax توصیه نمیشود زیرا میتواند منجر به نقطه ی اشباع ترانسفورماتور شود.در مقابل ، استفاده از مقادیر پایین تر برای حداکثر چگالی شار میتواند منجر به عدم استفاده کامل از ترانسفورماتور شود.

Ac بیانگر مساحت سطح موثر بر حسب cm2 است.این پارامتر را میتوانید از دیتاشیت های هسته های فریت پیدا کنید.(برای دانلود این فایل اینجا کلیک کنید.) همچنین ممکنه سما در برخی مراجع این پارامتر را با عنوان Ae ببینید.هسته ای که ما آنرا انتخاب کردیم دارای سطح موثری برابر با 1.25cmاست. بنابراین ما داریم :Ac = 1.25 برای ETD39.

حال برای این مثال عملی مقدار تعداد دور اولیه ما برابر است با :

N(prim) = Vin(nom) x 108 / 4 x f x Bmax x Ac

N(prim) = 12 x 108 / 4 x 50000 x 1500 x 1.2

N(prim) = 3.2

از آنجا که عدد 3.2 عددی اعشاری بوده و از نظر پیاده سازی در عمل سخت است ، تعداد دور ها را ما برابر با 3 دور در نظر میگیریم.اگرچه قبل از در نظر گرفتن نهایی این عدد ، ما باید بررسی کنیم که همچنان مقدار مطلوبی برای Bmax داشته باشیم در این تعداد دور.

همچنین بخوانید : ترانس جریان (CT) و ترانس ولتاژ (VT,PT) و تفاوت آن ها

بنابراین ، ما میدانیم با کاهش تعداد دور ها سبب افزایش در مقدار Bmax میشویم.بنابراین لازم این پارامتر دوباره با تعداد دور 3 بررسی شود تا در مقدار مجاز باشیم.بررسی کردن مقدار دقیق Bmax

Vin(nom) = 12, f = 50000, Npri = 3, Ac = 1.25

Bmax = Vin(nom) x 108 / 4 x f x N(prim) x Ac

Bmax = 12 x 108 / 4 x 50000 x 3 x 1.25

Bmax = 1600

همانطور که مشاهده میشود مقدار جدید Bmax بدست آمده برای تعداد دور 3 در محدوده ی مجاز برای این هسته است.بنابراین این نکته را حتما در نظر داشته باشید که در صورت کاهش یا افزایش و رند کردن مقدار تعداد دور ، حتما مقدار چگالی شار حداکثر را بررسی کنید.

همچنین بخوانید : آموزش کامل و روان تست قطعات الکترونیکی

تعداد دور ثانویه : 

الان میدانیم چطور تعداد دور های اولیه یک ترانسفورماتور هسته فریت اینورتر منبع تغذیه سوئیچینگ را چطور محاسبه کنیم.حال با ما همراه باشید برای محاسبه سمت ثانویه ترانس.

از آنجایی که حداکثر ولتاژ برای ثانویه 310 ولت در نظر گرفته شد ، ما میخواهیم برای تمامی ولتاژ های باتری از 10.5 ولت الی 13 ولت این مقدار ثابت بماند.(بدون شک ما از حلقه ی فیدبک برای کنترل کاهش ولتاژ باتری یا افزایش های ناگهانی جریان بار استفاده میکنیم.)

اما برای این کار باید حاشیه امنی برای این کنترل خودکار ایجاد کنیم.در نظر گرفتن 20 ولت حاشیه به نظر مناسب میرسد. بنابراین ما حداکثر ولتاژ را برابر با 310+20 ولت برابر با 330 ولت در نظر میگیریم.

این بدان معنی است که ترانسفورماتور باید برای خروجی 310 ولت با حداقل ولتاژ باتری 10.5 ولت طراحی شود.

برای کنترل فیدبک معمولا از مدارهای pwm خود تنظیم استفاده میکنیم که بیان جزئیات آن در این بخش صرف نظر میشود.فقط این نکته را برای این مدار بدانید که در صورتی که در بدترین شرایط مانند ولتاژ باتری حداقل هستیم این مدار حداکثر دیوتی سایکل را به سوئیچ و یا سوئیچ های ما اعمال میکند تا خروجی 310 ولت حفظ شود.حداکثر دیوتی سایکل مجاز را نیز برابر 98 درصد در نظر میگیریم.آن دو درصد دیگر به منظور فضای خالی برای دد تایم در سوئیچ ها در نظر گرفته میشود.

همچنین بخوانید : درایو موتور القایی به روش گشتاور مستقیم (DTC)

به این نکته توجه شود در صورتی که ولتاژ باتری در حداقل خود یعنی 10.5 ولت باشد ،ما حداکثر دیوتی سایکل 98 درصد را خواهیم داشت و به عبارت دیگر ولتاژ اولیه در حالت حداقل ولتاژ باتری به صورت تقریبی برابر با 98*10.5=10.29 ولت است.

در حال حاضر ما میدونیم حداکثر ولتاژ ثانویه برابر با 330 ولت است، همچنین ما میدونیم ولتاژ اولیه برابر با 10.29 ولت است .این دو عدد به ما نشان میدهد نسبت اولیه به ثانویه چند باید باشد .  330 : 10.29 = 32.1.

بنابراین نسبت ولتاژ اولیه به ثانویه 32.1 است.از آنجایی که تعداد دور اولیه سه شد  تعداد دور ثانویه برابر باx : 3 = 32.1 یا همان 96.3 میشود. و ما به 96 رند میکنیم.

محاسبات سیم پیچی کمکی :

تعداد دورهای اولیه ثانویه و کمکی

تعداد دورهای اولیه ثانویه و کمکی

یک سیم پیچی کمکی هنگامی در نظر گرفته میشود که کاربر ممکن است نیاز به تغذیه بخش دیگری داشته باشد.

فرض کنیم در این مثال عملی ،در هنگام ولتاژ ثانویه 310 ولت ، شما به سیم پیچی دیگری برای دریافت 33 ولت برای روشن کردن یک لامپ LED نیاز داشته باشید.در ابتدا لازم است نسبت تعداد دور سیم پیچی ثانویه به کمکی را بدست آوریم که رابطه ی آن به شکل زیر است.

(NA = Vsec / (Vaux + Vd

NA =نسبت تعداد دور ثانویه به اولیه ، Vsec = ولتاژ رگوله شده ثانویه ،Vaux = ولتاژ بخش کمکی ،Vd = ولتاژ فوروارد دیود برای یکسوساز دیودی.از آنجایی که ما به یک دیود با سرعت بالا نیاز داشتیم ، از دیود شاتکی با Vd = 0.5V استفاده کردیم.با حل این رابطه داریم : 

NA = 310 / (33 + 0.5) = 9.25

که میتوان آن را به عدد 9 رند کرد.حال با داشتن مقدار دور ثانویه و نسبت دور ثانویه به سیم پیچی کمکی ، با استفاده از فرمول Naux = Nsec / NA میتوانیم تعداد دور سیم پیچی کمکی را نیز بدست آوریم.برای مثال عملی ساخته شده ی ما ، Nsec = 96 و NA = 9 است که با حل آن ،Naux = 96 / 9 = 10.66 میشود که میتوانیم آن را 11 دور در نظر بگیریم.

بنابراین برای دسترسی به 33 ولت در سیم پیچی کمکی ، ما 11 دور نیاز است در سمت ثانویه بپیچیم.به همین شکل شما میتوانید برای نیاز های مخصوص خود این کار را انجام دهید.

جمع بندی : 

در این پست آموزش کامل طراحی و محاسبات هسته فریت مورد استفاده در ترانسفورماتورهای اینورتر های منابع تغذیه سوئیچینگ را ارائه دادیم.برخی از مهم ترین عناوین توضیح داده شده عبارتند از :

  • محاسبه تعداد دورهای اولیه
  • محاسبه تعداد دورهای ثانویه
  • در نظر گرفتن و نهایی کردن حداکثر چگالی شار
  • در نظر گرفتن حداکثر ولتاژ ثانویه برای کنترل فیدبک PWM
  • محاسبه تعداد دورهای سیم پیچی کمکی

آموزش ها

SMPSاولیهترانسترانسفورماتورتعداد دورثانویهسوئیچینگکمکیمنبع تغذیه سوئیچینگهسته فریت

12 دیدگاه

  • سلام. خیلی خوب توضیح داده اید برای پیچیدن ترانس اینورتر افزاینده. حالا چطور باید شماره سیم مورد نظر را بدست آوریم؟ الان شما در این مثال گفتید برای یک ترانس 250 وات با ورودی 12 ولت و خروجی مورد نظر با 220 ولت rms بود. تعداد دور اولیه و ثانویه را هم بدست اوردیم. لطف کنید اگر ممکنه نحوه محاسبه شماره سیم مورد نظر را هم ذکر کنید ممنون میشم. و این که شما در اینجا گفتید برای ترانس 250 وات آیا منظورتون این بود که 250 وات به خروجی بار می تواند منتقل کند؟؟

  • سلام و عرض ادب خدمت مهندس گرامی و گل
    من خیلی وقته که دنبال طراحی ترانس هسته فریت میگشتم اما چیزی پیدا نکردم
    تشکر بسیار فراوان دارم ازتون بابت توضیحات روان و آسان این موضوع
    فقط یه سوال در این توضیحات در مورد جریانهای ورودی و خروجی و یا توان چیزی گفته نشد
    نکته دوم اینکه اگر ما بخواهیم ترانس کاهنده طراحی کنیم که در آن توان ورودی خروجی مشخص است چکار باید بکنیم
    خیلی ممنون میشم اگر جواب این سوال رو به ایمیلم ارسال کنید
    باتشکر فراوان

    • سلام و عرض ادب و احترام خدمت شما دوست عزیز
      در ابتدا خیلی ممنونم از حسن نظرتون راجب این پست
      در رابطه با سوالی که داشتین این نکته رو باید اشاره کنم در این پست آموزشی ما فرض رو بر این گذاشتیم مقدار جریان و به تبع اون توانی که کشیده میشه از ترانس باعث به اشباع رسوندن اون نمیشه و کاربردهای عمدتا ساده تر.
      ما در فروشگاه محصول آموزشی ای گذاشتیم با عنوان ” فایل های لازم برای ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ 12 ولت 5 آمپر” . در اون محصول فیلم آموزشی ای وجود داره و به صورت خیلی تخصصی تر بحث سیم پیچی ترانس با توجه به توان مورد نظر بحث میشه.تو اونجا ما میگیم برای هر رنج توانی خاص بهتره از چه ساختاری استفاده کنین و بهتره نوع هسته و همچنین قطر سیم مورد استفادتون در سیم پیچی از چه نوعی باشه.
      اگر تمایل دارین اطلاعات تخصصی تر راجب هسته های فریت بدونین میتونین از اون بخش استفاده کنید.

    • سلام
      ممنون از توجه و دقتتون به این بخش.
      سطح مقطع موثر هسته برای هسته ی ETD 39 برابر با 125 میلی متر مربع و یا 1.25 سانتی متر مربع هست.به دلیل استفاده از واحد سانتی متر مربع تو فرمول بیان شده ما از عدد صحیح 1.25 سانتی متر مربع استفاده کردیم.
      موفق باشید.

دیدگاهتان را بنویسید