Selección del núcleo de ferrita y decisiones de diseño

En este artículo, te acompañaré por la guía de selección de núcleos de ferrita estándar y el proceso de diseño utilizado en aplicaciones como un convertidor de CC a CC o un inductor de filtro de potencia. El proceso implica una secuencia de pasos que requieren del uso de varias fichas técnicas y, en caso de que sea necesario que el diseño del inductor de núcleo de ferrita incluya una separación, de cierto grado de iteración. Las etapas de selección de núcleos de ferrita son las siguientes:

Antes de continuar, debe tenerse en cuenta lo que implica el decidir utilizar núcleos de ferrita en lugar de cualquier otro material. Asegúrate de que este sea el mejor material de ferrita para tu aplicación antes de seguir adelante. La siguiente tabla desglosa las ventajas y desventajas de utilizar un inductor de núcleo de ferrita:

Fijar el tamaño del núcleo de ferrita (etapa 1)

El diseño que utilizamos como base de este artículo apunta a una inductancia de alrededor de 1 mH, y el material de ferrita que consideraremos será uno de tipo plano creado por FerroxCube. El número de componente es E38/8/25 y se necesitan dos mitades para crear un conjunto de núcleo de ferrita completo:

En el recuadro rojo se resalta la longitud efectiva del núcleo (ℓ_e); se trata de un valor importante para calcular la densidad de flujo máxima. Es la distancia media de recorrido del flujo magnético cuando se juntan las dos mitades del núcleo de ferrita. Se indica con la línea azul en el siguiente gráfico:

A la derecha se muestra cómo se construirá el conjunto del núcleo de ferrita y la PCB: las pistas de cobre de la PCB formarán el enrollado de la bobina, y es posible que tengamos que apilar varias PCB pequeñas para conseguir el número de vueltas adecuado. Otro objetivo de este diseño de PCB es mantener la altura general del perfil lo más baja posible. Por lo tanto, nos proponemos crear un conjunto de núcleo de ferrita plano.

Estudiar y elegir el material de ferrita (etapas 2 y 3)

El núcleo E38/8/25 se puede comprar en varios materiales de ferrita diferentes. Los tipos de materiales comunes son el 3C90 y el 3F3. Lo próximo que hay que hacer es examinar estos dos tipos de material de ferrita para ver si se prefiere uno u otro. Primero se ha de comparar la respuesta de frecuencia, es decir, cuán alta es la frecuencia a la que se adecúa el material de ferrita:

Las líneas continuas muestran la permeabilidad magnética del material (el punto "más cómodo" de la ferrita). A 100 kHz, ambos tienen un valor de alrededor de 2000. Esto nos indica lo muy superiores, en comparación con el aire frío, que resultan el (a) concentrar el flujo magnético y (b) restringirlo. Ambos son 2000 veces mejores que el aire, y eso es importante. Pero no hay una gran diferencia entre los dos a 100 kHz, y ambos tienen un rendimiento razonable hasta 1 MHz.

Las líneas punteadas indican las pérdidas de material del núcleo de ferrita y, a 1 MHz, el material 3F3 es un poco mejor que el 3C90.

La siguiente comparación muestra cuánto cambia la permeabilidad magnética con la temperatura del núcleo:

En un rango de funcionamiento típico de 0 °C a 100 °C, el material 3F3 sería la elección preferible. Sin embargo, no mostramos otra comparación que se debe realizar: la de los niveles de saturación del núcleo de ferrita. Pero no la he incluido porque ambos materiales van bastante a la par, y no influye en la decisión de optar por el material 3F3.

Resumen

Hemos elegido un tipo de núcleo de ferrita llamado E38/8/25 (fabricado por Ferroxcube) y hemos investigado de qué materiales se puede fabricar. Los materiales 3C90 y 3F3 están comúnmente disponibles y, al observar sus especificaciones, nos decidimos por el 3F3 porque ofrece un mejor rendimiento.

Hemos tenido que mirar tres fichas técnicas diferentes para llegar hasta aquí: la ficha técnica del conjunto de núcleo E38/8/25 nos reveló de qué materiales se puede fabricar y también el parámetro crítico llamado longitud efectiva (ℓ_e). Después, consultamos las fichas técnicas de los dos materiales y realizamos una comparación técnica.

Calcular el número de vueltas (etapa 4)

Volvemos a la ficha técnica del núcleo E38/8/25 y buscamos un número llamado A_L (el factor de inductancia):

La cifra relevante aquí es el número 7250 que aparece en la parte inferior izquierda. Se dice que, para una vuelta de la bobina de cobre, la inductancia será de 7250 nH (7,25 μH). Este es el valor cuando se utilizan dos mitades idénticas de un núcleo plano. También debes tener en cuenta que el valor asociado para la permeabilidad magnética del núcleo (𝜇_e) es de 1570. Originalmente, en la especificación del material del núcleo de ferrita, se indicaba como 2000; sin embargo, una vez que se moldea en un núcleo, se reduce ligeramente. La "e" de 𝜇_e significa "efectiva", es decir, 𝜇_e se refiere a la permeabilidad efectiva.

Dado que los materiales de ferrita concentran el flujo magnético y (prácticamente) garantizan que todas las vueltas de la bobina se unan entre sí, podemos decir que la relación entre el número de vueltas y la inductancia es:

L = A_{L .} N²

Nuestra inductancia objetivo es de 1 mH, así que necesitaremos vueltas. Esto equivale a 11,7 vueltas, pero no podemos tener vueltas parciales, por lo que probablemente optaríamos por 12 vueltas y "aceptaríamos" una inductancia de 1,044 mH. En función de la naturaleza de tu circuito, podrás redondear hacia arriba o hacia abajo.

Calcular la corriente necesaria (etapa 5)

Ya tenemos un conjunto de núcleo de ferrita (y nuestro material de núcleo), y ya hemos calculado el número de vueltas necesario, pero ¿qué corriente necesitamos que fluya y qué problemas puede causar? Demasiada corriente puede conducir a la saturación del núcleo, por lo que tenemos que evitarla, pero necesitamos saber un poco más sobre la aplicación para calcular la corriente. Para este ejemplo, asumimos que la aplicación es un convertidor de CC a CC que utiliza la guía de selección del núcleo de ferrita y bobinas como los núcleos de ferrita del convertidor de retroceso (o "flyback") de DCM.

Debido a que es un circuito "flyback", no nos hace falta analizar ningún aspecto secundario del circuito para calcular la corriente primaria; solo necesitamos conocer la potencia máxima suministrada a la carga y la frecuencia de funcionamiento. Entonces, digamos que la frecuencia de funcionamiento es de 100 kHz y la potencia requerida por la carga es de 40 vatios.

Si dividimos la potencia de carga por la frecuencia, obtenemos la energía en julios que la primaria tiene que almacenar y transferir a la secundaria en cada ciclo de conmutación. Debemos asumir que habrá algunas pérdidas, por lo que aumentaremos la energía un 10 % para compensarlas mejor. Si manipulamos la "conocida" fórmula de energía del inductor (E = ½ L ·I²), podemos calcular la corriente máxima que tiene que fluir en la primaria con la siguiente ecuación:

Por supuesto, si tienes en mente un circuito de aplicación diferente para el componente de la bobina, el cálculo de la corriente puede ser más sencillo que el que se muestra arriba. En cualquier caso, todavía deberás calcular la corriente máxima para ver si puede haber un posible problema de saturación del núcleo de ferrita.

Calculamos 0,918 amperios para nuestra aplicación prevista y sabemos que esta corriente es la corriente de magnetización del núcleo de ferrita del transformador para un convertidor flyback. Por lo tanto, podría saturar el núcleo fácilmente.

Calcular la densidad de flujo (etapa 6)

Para calcular la densidad del flujo, necesitamos utilizar la corriente máxima, el número de vueltas y el valor de la longitud efectiva (ℓ_e) que encontramos en la etapa 1 (52,4 mm para las dos mitades del núcleo E38/8/25). ¿Recuerdas este gráfico?

El pico de corriente, el número de vueltas y la ℓ_e contribuyen a un valor conocido como fuerza del campo magnético o H:

Por lo tanto, si multiplicamos H por la permeabilidad magnética, obtenemos la densidad de flujo o B. Sabemos que la permeabilidad magnética (𝜇_e) es de 1570 en comparación con el aire y sabemos (de varias fuentes) que el aire tiene una permeabilidad absoluta de 1,257 𝜇H por metro. Así pues, podemos calcular B de la siguiente manera:

B = 210,2 ×1570 ×1,257 ×10^-6 = 0,4148 teslas

Esta es la densidad de flujo máxima predicha y sabemos, por la documentación, que es demasiado alta para los núcleos de ferrita. La ferrita se saturará fuertemente alrededor de 0,4 teslas, por lo que tenemos que replantearnos ligeramente lo que estamos haciendo.

Determinar si se necesita dejar un espacio (etapa 7)

La respuesta corta es que sí, pues tenemos que reducir la densidad de flujo máxima prevista. La buena noticia es que podemos comprar el conjunto de núcleo E38/8/25 ya preajustado. ¿Te acuerdas de este extracto de ficha técnica que hemos visto en la etapa 4?

Entonces, en lugar de elegir dos núcleos sin espacios, podríamos elegir un núcleo con un espacio y un núcleo sin espacio. Esto produciría la siguiente estructura para el núcleo:

Así, si elegimos un núcleo con un espacio de 0,25 mm (250 𝜇m), el valor A_L se reduce a 1000, y esto significa que necesitamos más vueltas para producir 1 mH de inductancia.

• En la etapa 4, ahora debemos usar 32 vueltas para obtener 1,024 mH.
• Desde la etapa 5, la corriente máxima debe ser de 0,927 amperios (anteriormente, era de 0,918 amperios).
• Desde la etapa 6, la H es ahora de 566,1 amperios-vueltas por metro (anteriormente era 210,2 At/m).

Y luego, podemos recalcular la densidad de flujo máxima usando el valor de la permeabilidad magnética con espacio 𝜇_e de 216.

B = 566,1 ×216 ×1,257 ×10^-6 = 0,153 teslas

Esto muestra el efecto de, sencillamente, agregar un poco de espacio. En general es deseable tener un valor inferior a 0,2 teslas para nuestro convertidor "flyback", por lo que este es un ajuste cómodo. Esto es lo que nos da una simulación (como una especie de "comprobación de validez"):

Los números concuerdan de una forma bastante razonable. El conjunto de núcleo con espacio con un campo H de 566,1 tiene una densidad de flujo simulada de 129 mT, mientras que el cálculo manual llegó a 153 mT. Para el conjunto de núcleo de 12 vueltas sin espacio con un campo H de 210,2, obtenemos una densidad de flujo simulada de 413 mT (muy cerca del cálculo manual de 414,8 mT).

Resumen

En primer lugar, lo esencial es que utilices el proceso de diseño correcto al diseñar un núcleo de ferrita de un transformador o al usar un inductor de núcleo de ferrita. En segundo lugar, no hay sustituto para las pruebas finales en el mundo real. Esto es necesario para cualquier componente de la bobina hecho a mano (o casero). Sin embargo, este artículo solo puede mostrarte el proceso y esperamos que, si lo sigues, obtengas buenos resultados. Si durante el proceso de diseño de un núcleo de ferrita te quedas con más información útil sobre el diseño y el espaciado de un inductor de núcleo de ferrita, entonces esto es un adicional para ti.

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