Selezione del nucleo di ferrite e decisioni di progettazione

In questo articolo ti guiderò attraverso la selezione dei nuclei di ferrite standard e il processo di progettazione utilizzati in applicazioni come un convertitore CC-CC o un induttore del filtro di potenza. Il processo prevede una sequenza di passaggi che richiedono l'impiego di diverse schede tecniche e, nel caso in cui sia necessario creare degli spazi vuoti nella progettazione dell'induttore con nucleo in ferrite, un certo grado di iterazione. Le fasi sono le seguenti:

Prima di procedere è necessario considerare le implicazioni della decisione di utilizzare nuclei di ferrite anziché di qualsiasi altro materiale. Assicurati che questo sia il materiale migliore per la tua applicazione prima di procedere.

Stabilire la dimensione del nucleo di ferrite (fase 1)

La progettazione che stiamo utilizzando come base di questo articolo mira a un'induttanza di circa 1 mH, e il materiale di ferrite che verrà considerato è un tipo planare realizzato da Ferroxcube. Il codice articolo è E38/8/25 e per realizzare un set di nuclei completo sono necessarie due metà:

Nel riquadro rosso è evidenziata la lunghezza effettiva del nucleo (ℓ_e); questo è un valore importante per il calcolo della densità di flusso di picco, ovvero la distanza media percorsa dal flusso magnetico quando due metà del nucleo vengono unite. È raffigurato dalla linea blu nella figura seguente:

A destra viene illustrato come verranno costruiti il set di nuclei e il PCB; le tracce del PCB in rame formeranno i giri della bobina e potremmo dover impilare diversi piccoli PCB per ottenere il giusto numero di spire. Un altro obiettivo di questa progettazione è mantenere l'altezza complessiva del profilo il più bassa possibile. Quindi, abbiamo puntato su un set di nuclei planari.

Studiare e scegliere il materiale della ferrite PCB (fasi 2 e 3)

Il nucleo E38/8/25 può essere acquistato in diversi materiali di ferrite. I tipi di materiale più comuni sono 3C90 e 3F3. Il prossimo passo è esaminare entrambi questi tipi di materiali per vedere se uno potrebbe essere preferito all'altro. Il primo confronto è la risposta in frequenza, ovvero quanto è alta la frequenza adatta al materiale di ferrite per:

Le linee solide mostrano la permeabilità magnetica del materiale (il fattore "sensibile" della ferrite). A 100 kHz, entrambi hanno un valore di circa 2000. Questo ci dice quanto siano migliori dell’aria fresca nel (a) concentrare il flusso magnetico e (b) vincolarlo. Entrambi sono 2000 volte migliori dell'aria, e questo dato è importante, ma non c'è una grande differenza tra i due a 100 kHz, ed entrambi hanno prestazioni ragionevoli fino a 1 MHz.

Le linee tratteggiate indicano le perdite di materiale di base e, a 1 MHz, il materiale 3F3 è leggermente superiore a 3C90.

Il prossimo confronto mostra quanto cambia la permeabilità magnetica con la temperatura di base:

In un intervallo operativo tipico compreso tra 0 °C e 100 °C, il materiale 3F3 sarebbe la scelta preferita. Non viene mostrato un altro confronto che dovrebbe invece essere fatto, e cioè i livelli di saturazione del nucleo. Tuttavia, non l'ho incluso perché entrambi i materiali sono molto simili e questo non influenza la decisione di scegliere il materiale 3F3.

Come scegliere la giusta tipologia di nucleo di ferrite: riepilogo

Abbiamo puntato su un tipo di nucleo di ferrite chiamato E38/8/25 (prodotto da Ferroxcube) e abbiamo studiato i materiali con cui può essere realizzato. I materiali 3C90 e 3F3 sono entrambi comunemente disponibili e, esaminando le rispettive specifiche, abbiamo deciso di utilizzare il 3F3 perché offre prestazioni migliori.

Abbiamo dovuto esaminare tre diverse schede tecniche per arrivare fin qui; la scheda tecnica del set di nuclei E38/8/25 ci ha detto di quali materiali può essere realizzato e ci ha anche indicato il parametro critico chiamato lunghezza effettiva (ℓ_e). Quindi abbiamo esaminato le schede tecniche dei due materiali e abbiamo effettuato un confronto tecnico diretto.

Calcolare il numero di spire (fase 4)

Torniamo alla scheda tecnica del nucleo E38/8/25 e cerchiamo un numero chiamato A_L (il fattore di induttanza):

La cifra rilevante qui è il numero 7250 in basso a sinistra. Si dice che per una spira di avvolgimento di rame l'induttanza sarà di 7250 nH (7,25 μH). Questo è il valore quando si utilizzano due metà del nucleo planare identiche riunite. Si noti inoltre che il valore associato alla permeabilità magnetica del nucleo (𝜇_e) è 1570. Originariamente, nella specifica del materiale, era 2000; ma una volta modellato in un nucleo, si ridurrà leggermente. La "e" in 𝜇_e sta per "effettiva", ovvero 𝜇 _e è chiamata permeabilità effettiva.

Poiché i materiali in ferrite concentrano il flusso magnetico e (praticamente) assicurano che tutte le spire dell'avvolgimento siano accoppiate tra loro, la relazione tra il numero di spire e l'induttanza è quindi:

L = A_L. N²

La nostra induttanza target è 1 mH, quindi avremo bisogno di spire. Si tratta di 11,7 spire, ma non possiamo avere spire frazionarie, quindi probabilmente sceglieremo 12 spire e "accetteremo" un'induttanza di 1,044 mH. Arrotondare per difetto o per eccesso dipenderà dalla natura del circuito.

Calcolare la corrente richiesta (fase 5)

Abbiamo un set di nuclei (e il nostro materiale del nucleo) e abbiamo calcolato il numero di spire necessario, ma quale corrente dobbiamo far passare? Ci darà dei problemi? Troppa corrente può portare alla saturazione del nucleo di ferrite, quindi dobbiamo evitarlo, ma dobbiamo conoscere un po' di più l'applicazione per calcolare la corrente. Per questo esempio, ipotizziamo che l'applicazione sia un convertitore CC-CC che utilizza la guida alla selezione del nucleo di ferrite e gli avvolgimenti come nuclei di ferrite di un trasformatore flyback DCM.

Poiché si tratta di un circuito flyback, non è necessario analizzare alcun aspetto del circuito secondario per calcolare la corrente primaria; abbiamo solo bisogno di conoscere la potenza massima erogata al carico e la frequenza operativa. Quindi, supponiamo che la frequenza operativa sia di 100 kHz e la potenza richiesta dal carico sia di 40 watt.

Se dividiamo la potenza di carico per la frequenza, otteniamo l'energia in joule che il primario deve immagazzinare e trasferire al secondario in ogni ciclo di commutazione. Dobbiamo presumere che ci saranno alcune perdite, quindi aumenteremo l'energia del 10% per tenerne conto. Se manipoliamo la “ben nota” formula dell’energia dell’induttore, (E = ½ L ⋅I²), possiamo calcolare la corrente di picco necessaria per fluire nel primario con la seguente equazione:

Ovviamente, se hai in mente un circuito applicativo diverso per il componente avvolto, il calcolo attuale potrebbe essere più semplice di quello mostrato sopra. In entrambi i casi, è comunque necessario calcolare la corrente di picco per vedere se potrebbe verificarsi un potenziale problema di saturazione del nucleo.

Abbiamo calcolato 0,918 ampere per la nostra applicazione target e sappiamo che questa corrente è la corrente di magnetizzazione del nucleo in ferrite del trasformatore per un convertitore flyback. Pertanto, potrebbe facilmente saturare eccessivamente il nucleo.

Calcolare la densità del flusso (fase 6)

Per calcolare la densità di flusso, dobbiamo usare la corrente di picco, il numero di spire e il valore della lunghezza effettiva (ℓ_e) che abbiamo trovato nella fase 1 (52,4 mm per due metà del nucleo E38/8/25). Ricordi questa figura?

La corrente di picco, il numero di spire e ℓ_e contribuiscono tutti a un valore noto come intensità del campo magnetico, H:

Pertanto, se moltiplichiamo H per la permeabilità magnetica, otteniamo la densità di flusso, B. Sappiamo che la permeabilità magnetica (𝜇_e) è di 1570 rispetto all'aria, e sappiamo (da varie fonti) che l'aria ha una permeabilità assoluta di 1,257𝜇H per metro. Possiamo quindi calcolare B come segue:

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

Questa è la densità di flusso di picco prevista e sappiamo dalla letteratura che è eccessiva per i nuclei di ferrite. La ferrite si saturerà pesantemente intorno a 0,4 tesla, quindi dobbiamo ripensare leggermente a ciò che stiamo facendo.

Determina se è necessario uno spazio vuoto (fase 7)

La risposta è semplice: sì, dobbiamo ridurre la densità di flusso di picco prevista. La buona notizia è che possiamo acquistare il set di nuclei E38/8/25 già preinstallato. Ti ricordi questo estratto della scheda tecnica della fase 4?

Quindi, invece di scegliere due core senza spazi vuoti, potremmo scegliere un core con uno spazio vuoto e uno senza. Ciò produrrebbe la seguente costruzione principale:

Quindi, se abbiamo scelto un nucleo con uno spazio vuoto di 0,25 mm (250 𝜇m), il valore AL è ridotto a 1000, e questo significa che abbiamo bisogno di più spire per produrre un'induttanza di 1 mH.

• Dalla fase 4, ora dovremmo usare 32 spire per ottenere 1.024 mH.
• Dalla fase 5, la corrente di picco dovrebbe essere 0,927 ampere (in precedenza era 0,918 ampere).
• Dalla fase 6, H è ora 566,1 spire/ampere per metro (in precedenza era 210,2 At/m)

Quindi, possiamo ricalcolare la densità del flusso di picco utilizzando il valore della permeabilità magnetica con spazio vuoto 𝜇 _e di 216.

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

Questo dimostra l'effetto della semplice aggiunta di uno spazio vuoto. Ora propenderemmo per un valore inferiore a 0,2 tesla per il nostro convertitore flyback, quindi questa è una soluzione adatta. Ecco cosa ci offre una simulazione (come una sorta di controllo di integrità):

I numeri corrispondono abbastanza bene. Il set di nuclei con spazio vuoto con un campo H di 566,1 ha una densità di flusso simulata di 129 mT, mentre il calcolo manuale è arrivato a 153 mT. Per il set di nuclei a 12 spire senza spazio vuoto con un campo H di 210,2, otteniamo una densità di flusso simulata di 413 mT (molto vicino al calcolo manuale di 414,8 mT).

Riepilogo

In primo luogo, è essenziale utilizzare il processo di progettazione corretto quando si progetta un nucleo di ferrite per un trasformatore o si utilizza un induttore con nucleo di ferrite. In secondo luogo, non è possibile sostituire i test finali nel mondo reale, un passo necessario per qualsiasi componente avvolto a mano (o homespun). Tuttavia, questo articolo può solo illustrare il processo e mi auguro che, seguendolo, otterrai buoni risultati. Se lungo il percorso acquisisci informazioni più approfondite sulla progettazione e su come disporre gli spazi vuoti in un induttore con nucleo in ferrite, avrai un ulteriore vantaggio.

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