Jak obliczyć zwoje i nasycenie transformatora Flyback z rdzeniem 3F3?

Było, było, ale niewiele z tego zrozumiałem. Tzn. informacje w wielu miejscach są sprzeczne ze sobą.

Proszę zatem o pomoc w obliczeniu transformatora do przetwornicy Flyback:

L = 7uH (przykładowo)

rdzeń: toroidalny o Al = 1160 nH, Ae = 19,7 mm2
materiał 3F3

Jak wyliczyć ilość zwojów (jaki wzór)?
Jak wyliczyć nasycenie (skąd to wziąć)?
Jak określić przekładnię (gdzieś znalazłem taką stronę, co wyliczyła przekładnię 1,09 -> OK, ale to oznacza, że cewka wtórna ma mieć o 1,09 razy więcej zwojów od pierwotnej?)
Jak określić średnicę drutu nawojowego?

Pytanie pewnie wyda się śmieszne, ale podczas obliczeń napotkałem na idiotyczne wyniki z powodów niekompatybilności jednostek.

Wyszło mi coś takiego:
n1 = 2,5 zwoja
n2 = 3 zwoje
U = 9V
I = 0.9 A
f = 200kHz
B = 2,18 T (!!! to chyba bzdura)
Przebieg prostokątny.

Proszę o pomoc i wyjaśnienie tak, jak najprościej. Nie chcę odsyłania do książek, bo właśnie w nich znalazłem te wzory, co mi wyliczyły bzdury. Zatem chodzi mi o takie wyliczenia, jakie faktycznie stosujecie w praktyce.

Pozdrawiam.

Moderowany przez andre1979:

Przeniesiono z Układy elektroniczne DIY pomysły i problemy

Zobacz tu, masz automat - "gotowca":
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps_e/l_smps_in_e.html

No właśnie korzystałem również z tej strony i dlatego mi te bzdury wyszły. Poza tym pytałem, jak mam rozumieć przekładnię? Czy jest to 1,1 raza L1, czy jakoś inaczej.

Wolę się upewnić przed dokonaniem zakupów.

Być może bzdurą jest nie strona, ale to, co wymyśliłem. Dlatego prosiłbym o weryfikację obliczeń. O ile ktoś ma ochotę oczywiście.

Pozdrawiam.

1. Ustal jaką energię chcesz magazynować w rdzeniu, i przy jakim B tyle się zmagazynuje.
3F3 ma szansę sensownie działać przy B=200mT, a pewnie lepiej nie przekraczać 100mT.
Być może trzeba będzie użyć większego rdzenia, albo z innego materiału.
Jak będziesz wiedział, że rdzeń będzie działał w sensownym zakresie B, to wtedy możesz
liczyć według wzorów z książki, które nie uwzględniają ograniczenia B dla rdzenia.

A jak mam policzyć potrzebną energię, którą rdzeń ma zmagazynować? W moich książkach nie znalazłem nic, co by pasowało.

Znam prąd odbiornika (0,7 A), napięcie odbiornika (4,5 do 7,2V), napięcie źródła (5,6 - 8,4V) i to tyle, co jest pewnego. Resztę można zmienić w jakichś sensownych granicach.

Zatem _jta_, jak to policzyć?

Pozdrawiam.

PS. Widzę, że tego liczenia będzie chyba sporo...

Powiedzmy, że masz częstotliwość 20kHz, i że moc ma być 5W, to wychodzi energia 250uJ.
Przy polu 100mT masz gęstość energii w próżni (i w powietrzu) 4kJ/m3 = 4mJ/cm3, co daje
wymaganą objętość szczeliny 0.0625cm3; jeśli przekrój rdzenia jest 0.197cm2, to wychodzi
szczelina 0.32mm; zamiast szczeliny może być ferryt o odpowiednio małej przenikalności -
- takiej, żeby przy Ae=19.7mm2 miał Al=8nH - czyli rdzeń się nie nadaje, bo ma za duże Al.

Generalnie, jeśli toroid ma być do flybacka, to musi być z materiału o małej przenikalności,
i dobrze, żeby miał dużą indukcję nasycenia - stosuje się do tego materiały proszkowe.
Rdzenie ferrytowe o dużej przenikalności nadają się do przetwornic jednotaktowych,
które nie potrzebują magazynowania energii w rdzeniu, a nie do flyback, czy buck.

Można by pomyśleć o zastosowaniu większej częstotliwości - ale trzeba by było użyć
2.5MHz, a ten materiał do takich częstotliwości się nie nadaje, zwłaszcza przy 100mT.

O to mi właśnie chodziło.

Mam w związku z Twoją odpowiedzią _jta_ jeszcze prośbę. Pierwszy wzór na energię wydedukowałem (E=P/f), ale pozostałych nie. Mógłbyś je podać? I koniecznie z opisem, w jakich jednostkach co się wstawia. Być może, że tam, gdzie ja wstawiałem, był jakiś konflikt z jednostkami - stąd błędy.

W każdym bądź razie powoli zaczynam dochodzić do sedna. Szkoda tylko, że asortyment rdzeni toroidalnych w TME jest niewielki. Mam na myśli odpowiednie materiały... Ferryty są, ale proszkowych toroidalnych nie widzę.

Pozdrawiam.

Może najprościej liczyć tak: znając przekrój rdzenia Ae i maksymalną indukcję Bmax wyliczasz maksymalny
strumień pola magnetycznego Fi_max=Ae*Bmax (jednostką Fi jest V*s); jednocześnie Fi w zakresie liniowym
jest iloczynem stałej indukcyjności Al i prądu I, Fi_max=Al*Imax, a energia jest Fi*I/2 -> Emax=Fi_max^2/(2*Al).

Jakby tak tu wstawić Bmax=0.1T, Ae=20mm2, to wyjdzie Fi_max=2uV*s, przyjmując Emax=250uJ można
wyliczyć 2*Al=Fi_max^2/Emax=16nH (jednostki: J=V*A*s, więc V*s/J=1/A; H=V*s/A), czyli Al=8nH.

Może firma Feryster będzie miała odpowiednie rdzenie i sprzeda je wysyłkowo?
Albo użyć rdzenia o innym kształcie: kubkowe (czy garnkowe), EE, EI... te rdzenie można
składać tak, by pozostawić szczelinę, i wtedy uzyskuje się mniejsze Al -> większa energia.

I właśnie mi o to chodziło _jta_. Dzięki!!!

Manewrując niektórymi parametrami mogę spróbować coś więcej wykombinować, aby to Al wyszło mi na w miarę rozsądnym poziomie. Szczelina odpada, rdzeń inny, niż toroidalny też. Zatem mam wąskie pole manewru. Ale coś się może da zrobić.

Chciałbym jeszcze ten wzorek, którym wyliczyłeś szczelinę powietrzną dwa posty wcześniej.

Kombinuję dać większą częstotliwość kluczowania i zobaczymy, co z tego wyniknie. Może efekty będą warte tego całego zachodu?

Dzięki raz jeszcze.

Pozdrawiam.

Z tego materiału dobry flyback o takiej mocy nie wyjdzie - przy dużej częstotliwości rdzeń będzie się grzał.
Sugerowałbym zajrzeć na stronę Ferystera i poszukać danych rdzeni lub poprosić ich o nie. Mają sklep internetowy.

@Nemo
Ściągnij sobie ten plik: http://www.ferroxcube.com/appl/info/HB2005.pdf
Są w nim zawarte parametry wszystkich rdzeni produkowanych przez Ferroxcube.

Dzięki za linka lechoo.

Materiałów jest tam bardzo dużo. 1030 stron to parę godzin studiowania, ale informacje potrzebne. Przyda się.

Dzięki za pomoc lechoo!

Pozdrawiam.

PS. Ponieważ robiłem zamówienie w TME, oczywistym było, że zamówiłem coś u nich. Koszty wysyłki wbrew pozorom niskie nie są. Kupiłem kilka rdzeni 3F3 i dwa dławiki. Mają żółty kolor rdzenia i białą jedną krawędź toroidalnego rdzenia. Jednak oporność rdzenia to około 200R po szerokości toroidu. Wygląda na jakiś podobny 3F3 (ferryt Ni-Zn). Zobaczę, co potrafi...

Ni-Zn powinny chodzić do megaherców... pytanie, czy tranzystory się wyrobią.

Przepraszam, ale pomyliłem się. Ferryt 3F3 to materiał Mn-Zn. Ni-Zn to 4F1, o którym myślałem. Niestety, rdzeni z niego TME w ofercie na razie nie ma. A szkoda.

Pozdrawiam.

To pewnie trzeba zamówić gdzie indziej, albo wybrać inny materiał.
Rozumiem, że na tych 1030-tu stronach masz wszelkie informacje?

Do przetwornic dwutaktowych (do takich należą buck i flyback) potrzebne są rdzenie
o niezbyt dużej przenikalności (np. 50 do 100) i o dość dużej częstotliwości pracy.
Do jednotaktowych - potrzebna jest jak największa przenikalność (nawet 10000).
Dla obu typów lepiej mieć małą indukcyjność rozproszenia - to tylko źródło strat.

Można by jeszcze pomyśleć o cewce bez rdzenia, tylko wtedy trudno uzyskać małą
indukcyjność rozproszenia, i trzeba kombinować jak mimo to uzyskać małe straty.

Co do szczeliny: jeśli masz daną maksymalną indukcję w rdzeniu Bmax, i prąd *
ilość zwojów Iz, to przy dużej przenikalności rdzenia Iz * u0 / Bmax = szczelina
(u0 = przenikalność magnetyczna próżni, 4 Pi * 10^(-7) [ V*s/(A*m) ]).

Z tym zamawianiem w innych miejscach to trochę lipa - dodatkowe koszty. A tak, jak zamawiam w TME, to przesyłka rozkłada się równomiernie na resztę elementów. Rdzeń to tylko drobny składnik całości.

Materiał ferrytowy 3F3 jest przystosowany do wysokich częstotliwości. Przynajmniej tak podaje ten 1030 stronicowy handbook. Mam też jakiś nieokreślony rdzeń proszkowy i tego też przetestuję. Poza tym dwa gotowe dławiki.

Obecnie zaczynam się zastanawiać nad zmianą koncepcji układu zasilającego. Okazuje się, że minimalne napięcie zasilające stabilizator odbiornika jest wyższe o 0,2V od przewidywanego napięcia pracy odbiornika. Obecnie i tak zamierzam zaimprowizować jakiś stabilizator własnej konstrukcji, bo ceny gotowych (powyżej 20 PLN netto) trochę mnie przestraszyły. Zwłaszcza, że ich sprawność wcale nie powala na kolana (max. 75%). Cóż, do testów mam jeszcze parę dni...

Dzięki _jta_ za pomoc. Wzorki się bardzo przydadzą.

Pozdrawiam.

A z jakich konkretnie materiałów są w ofercie TME rdzenie toroidalne?

Tak jak przejrzałem ten katalog Ferroxcube, to mam wrażenie, że oni nie przewidzieli
takiej możliwości, żeby robić przetwornicę flyback na rdzeniu toroidalnym, i nie dają
żadnych sensownych wskazówek - być może nie robią odpowiednich ferrytów.

A może by posłać do Ferroxcube listę ich rdzeni toroidalnych, które są w TME,
i zapytać ich, czy któryś z nich jest przeznaczony do przetwornic typu flyback?

Z tego, co widziałem, to masz _jta_ całkowitą rację. Wszystkie sensowne rdzenie do przetwornic, Ferroxcube wykonuje w postaci kształtek do produkowanych przez siebie karkasów. Tam wybór jest znacznie większy, ale dla mnie zupełnie niezgodny z wymaganiami. Te karkasy są zbyt olbrzymie, jak na moje potrzeby.

Mam nadzieję (bo jeszcze ciągle testów nie robiłem, gdyż mój analogowy generator PWM czeka na naprawę i modernizację), że te rdzenie toroidalne wytrzymają przy tak niewielkim obciążeniu, jakim są LED'y mocy. Szacuję potrzebną moc dostarczaną do wybranych przeze mnie LED'ów na około 4÷4,5W. Poza tym to ma być bardzo kompaktowa wersja, przynajmniej jeśli chodzi o rozmiary...

Pozdrawiam.

To lepiej użyć rdzenia ze szczeliną - uzyskiwalna gęstość energii w powietrzu jest dużo większa, niż w ferrycie.
Albo zrobić przetwornicę jednotaktową (taką, która nie potrzebuje magazynowania energii w transformatorze).

Szukałem materiałów i znalazłem coś, co chyba byłoby lepsze dla tego rozwiązania - przetwornica SEPIC. Taka z dwoma dławikami, która może podnosić i obniżać napięcie, stosownie do potrzeb.

Jednak nie znalazłem informacji o projektowaniu takich przetwornic w necie. Być może dla mojego przypadku byłoby to rozwiązanie korzystniejsze, choćby ze względu na posiadane elementy.

Co do sterowania przetwornicą, to coś tam zaimprowizuję. Grunt, aby dobrze dobrać dławiki i kondensatory dla takiego przypadku - tylko jak to zrobić?

Pozdrawiam.

PS. Przeszukałem masę stron o przetwornicach SEPIC, ale jeszcze nigdzie nie znalazłem informacji o tym, jak je projektować. Nie pod konkretne sterowniki, ale ogólnie.

Nie znam tej nazwy (przetwornica SEPIC) - możesz wskazać jakąś definicję?

Jasne!

Tu jest link w języku angielskim do takowej przetwornicy SEPIC

Pozdrawiam.

W tej przetwornicy średni prąd cewki L1 = prąd zasilania (wejściowy), średni prąd cewki L2 = prąd obciążenia (wyjściowy),
napięcie zmienne pik-pik na cewce jest równe sumie napięcia wejściowego, i wyjściowego, jak w przetwornicy flyback.

Ta suma prądów wychodzi taka, jak średni prąd w przetwornicy flyback. W sumie pod względem wymagań co do rdzenia
i cewek powinna być równoważna przetwornicy flyback z jedną cewką, tyle że prąd rozkłada się na dwie cewki - to tak,
jakby w przetwornicy flyback te dwie cewki były połączone równolegle, podczas gdy tu są rozdzielone kondensatorem.

Czyli można obliczać tak samo, jak liczy się przetwornicę flyback na jednej cewce, z dokładnością do grubości drutu,
bo jeśli prąd wejściowy i wyjściowy są istotnie różne, to wypada nawinąć cewki drutami o różnym przekroju.
Aha, nie widzę, żeby to wyraźnie napisali: cewki L1 i L2, jak są na wspólnym rdzeniu, mają mieć tyle samo zwojów.

Jeśli napięcie miałoby być tylko obniżane, to mniej energii w rdzeniu magazynuje przetwornica "buck".

No właśnie, w tym sęk, że czasami napięcie wyjściowe będzie podwyższane, bo źródłem zasilania będą akumulatory Li-Ion. Z tego opisu wynika, że SEPIC jest właśnie do tego przeznaczony.

Mam w tej chwili chyba już wystarczająco dużo danych, aby sobie poradzić. Jakby co, to będę oczywiście pisał.

Jakby co, to zainteresowanym umieszczam ten link do dokumentacji na temat projektowania przetwornic SEPIC przy wykorzystaniu sterowników firmy National Semiconductor. Ja z nich na razie nie będę korzystał, bo w TME żaden nie jest dostępny, a w innych sklepach, gdzie robię zakupy - też nie mają. No i muszę sobie radzić sam.

Dziękuję i pozdrawiam.

_jta_ napisał:

co daje
wymaganą objętość szczeliny 0.0625cm3; jeśli przekrój rdzenia jest 0.197cm2, to wychodzi
szczelina 0.32mm

Temat stary ale warto zwrócić uwagę na błędy. Jak by nie liczyć 0.0625cm3/0.197cm2 = 0.32cm a nie 0.32mm. Tak więc wyliczona szczelina powinna wynosić 3.2mm a więc powinna być 10 razy większa.

Słusznie, dzięki za skorygowanie błędu. Może warto sprawdzić resztę wyliczeń: µ0 = 0.4π µH/m = 400π nH/m = 4π nH/cm ~= 12.5664nH/cm; AL=µ0*S/d, co dla S=0.197cm2 i d=0.32cm daje AL=7.7nH (w #6 napisałem AL=8). Przy okazji, wytworzenie 100mT w szczelinie 3.2mm wymaga prądu B*d/µ0~=255Az (amperozwojów) - taki powinien być iloczyn prądu i ilości zwojów cewki - oj, czy tam jest miejsce na taką cewkę?

Rzeczywista zależność AL od szczeliny wcale nie jest tak banalna, jakby wynikało z podanego wzoru. Jest to - dla użytecznych wartości szczelin - funkcja wykładnicza o niecałkowitym wykładniku

Próbowałem kiedyś dopasowywać rzeczywiste współczynniki AL do różnych wzorów - wychodziły dość żenujące odchylenia i dałem sobie spokój. W produkcji albo stosujemy fabryczne rdzenie o ustalonym AL albo szlifujemy pilnując rzeczywistej indukcyjności uzwojeń a nie wyliczonej szczeliny.

Według SFDT2010, dla rdzenia EF16 (Ae=0.2cm^2) dla uzyskania AL=8 potrzeba szczeliny 9mm. Oczywiście jest to tylko teoretyczna wartość, bo przy tak dużej szczelinie nie sposób mówić o jakiejkolwiek jednorodności pola w szczelinie i mamy zdecydowanie za duży wpływ rozproszenia na parametry. Właśnie dlatego unika się stosowania szczelin dłuższych niż 3% le - wyjątkiem są dławiki o małej indukcyjności na dużych rdzeniach, gdzie stosuje się większe szczeliny.

_jta_ napisał:

[...]
liczyć według wzorów z książki, które nie uwzględniają ograniczenia B dla rdzenia.

każde obliczenia od zarania dziejów uwzględnia ograniczenia. nazywają się one HISTEREZA MAGNETYCZNA

Pętla histerezy jest dla ferrytów mocy ze szczeliną bardzo wąska. Nasycenie a histereza to zupełnie różne zjawiska.

Cieszę się, że temat nieco ożył i można liczyć na pomoc osób zainteresowanych.
Mam pewną wątpliwość co do obliczeń rdzeni, którą chciałbym skonsultować. Obliczenia są czysto teoretyczne ale żeby miały jakąś podstawę, przyjmijmy że dotyczą rzeczywistego, poczciwego rdzenia kubkowego 22/13 z materiału np. F-1001 o parametrach:
Ae = 63.2 mm2
Le = 31.5 mm
Ve = 1990.8 mm3
AL = 315
ui = 1500 <- przenikalność początkowa
s = 0.22mm <-szczelina w rdzeniu

Rozważania są teoretyczne więc, niech to pracuje z częstotliwością 100kH dla ułatwienia obliczeń.

Zaczynamy od wzoru

1) N*Φ = I*L

do którego, po lewej stronie podstawimy

2) Φ = B*Ae

a po prawej

3) L = AL*N^2

i otrzymamy:

4) N*B*Ae = I*AL*N^2

dla jednego zwoju (N=1) otrzymujemy

5) B*Ae = I*AL

po przekształceniu w celu obliczenia prądu mamy

6) I = B*Ae/AL

energia zgromadzona w cewce przy osiągnięciu naszego I wyniesie

7) E = 0.5*L*I^2

do powyższego równania w miejsce L podstawiamy równanie #3 a w miejsce I #6

8) E = 0.5*N*AL*(B*Ae/AL)^2

moc, jaką może przenieść cewka obliczymy ze wzoru P = E*f

9) P = 0.5*N*AL*(B*Ae/AL)^2 *f

po uproszczeniu i pamiętając że N=1

10) P = 0.5*f*(B*Ae)^2/AL

przyjmując Bmax dla ferrytu 0.3T, przy częstotliwości 100kHz, moc naszego rdzenia wyniesie 57W

=================================================

Teraz, niejako w celu sprawdzenia, to samo ale korzystając z gęstości energii w polu magnetycznym. Oddzielnie dla szczeliny i oddzielnie dla ferrytu a potem zsumowanie.

Dla szczeliny:

objętość Vs wynosi

11) Vs = Ae*s

gęstość energii w szczelinie (której przenikalność u0 = 4*3.14*10^(-7) ) wynosi

12) es = 0.5*B^2/u0

tak więc energia w szczelinie wyniesie

13) Es = Vs * es

a moc przez nią przenoszona Ps

14) Ps = Es*f

czyli ostatecznie podstawiając powyższe równania otrzymujemy

15) Ps = Ae*s*0.5*f*B^2 /u0

Co przy założonym B=0.3T i f=100kHz dla szczeliny w naszym rdzeniu daje 49.8W

To samo obliczamy dla ferrytu, którego objętość wynosi Ve, gęstość energi

16) er = 0.5*B^2/(u0*ui)

Analogicznie jak dla szczeliny energia w rdzeniu wyniesie

17) Er = Ve*er

a moc

18) Pr = Er*f

Ostatecznie

19) P = Ve*0.5*f*B^2 /(u0*ui)

Co dla naszego rdzenia przy B=0.3T i f=100kHz daje 4.75W

Sumując moc przenoszoną przez szczelinę i przez ferryt otrzymujemy 54.5W. Różnica w stosunku do mocy obliczonej równaniem #10 wynosi 4.4%.

Tu oczywiście należy się medal dla każdego kto dotarł do tego miejsca i pytanie czy te obliczenia są poprawne? Z góry dziękuję za pomoc.