Seleccionando el núcleo de ferrita correcto para altas corrientes

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Necesito diseñar algunas bobinas \ $ 3.7 mH \ $ para dos filtros de paso bajo y una bobina \ $ 5 \ mu H \ $ para un convertidor elevador. Pero estoy teniendo algunos problemas para encontrar núcleos de ferrita adecuados, ya que habrá una cantidad significativa de corriente en funcionamiento a través de todos ellos. Así que pensé que le pediría algunas pautas para calcular y elegir los núcleos de ferrita adecuados para mis aplicaciones.

Primero, soy consciente de la ecuación: $$ B = \ mu_0 \ times \ mu \ times \ frac {N \ times I} {l_e} $$ donde \ $ B \ $ es la intensidad del campo magnético, \ $ N \ $ es el número de turnos, \ $ I \ $ es actual a través de la bobina y \ $ l_e \ $ es la longitud efectiva del núcleo.

Sin embargo, un empleado de una de las empresas que produce núcleos de ferrita me sugirió que, si bien esta es una ecuación válida para usar, para altas densidades de flujo, es mejor que use una de estas ecuaciones: $$ U_ {rms- sine}: = B_ {max} \ times A_e \ times N \ times f \ times \ pi \ times \ frac {2} {\ sqrt {2}} $$ $$ U_ {rms-square}: = B_ {max } \ times A_e \ times N \ times f \ times \ pi \ times 2 $$

Donde \ $ B_ {max} \ $ se usa normalmente alrededor de 300mT, \ $ U \ $ es el voltaje aplicado y \ $ f \ $ es la frecuencia del voltaje aplicado. Y debería calcular para \ $ A_e \ $, para el tamaño del núcleo efectivo.

A partir de este momento he perdido contacto con él, así que estoy un poco perdido. Si bien confío en él, sobre estas ecuaciones, tampoco estoy seguro (¿no deberían depender de lo actual?) Sobre cómo abordar este problema y resolverlo.

Aquí hay algunos números con lo que estoy trabajando.

Filtro de paso bajo:

  • actual a través del máximo de la bobina en alrededor de 7.5A
  • los voltajes en la bobina serán de 12V a un máximo de 27V (se aplicará una onda cuadrada al filtro)

Conversor de impulso:

  • voltaje de entrada de máximo 15V (onda cuadrada)
  • entrada de corriente de máximo 15A

Estos números ya incluyen un margen.

Además, si obtengo algunos valores grandes para el tamaño del núcleo, ¿puedo conectar más de ellos?

¿Cómo, paralelo o serial? Por la primera ecuación debo conectarlos en serie (giros menores = B menor), pero por segundo / tercero, debo conectarlos en paralelo (más giros = Ae más pequeños), ¿cuál es?

EDIT:

Los filtros de paso bajo están en un puente H, para el amplificador de clase D. Y el convertidor boost es lo que lo impulsará.

EDIT2:

La frecuencia de la onda cuadrada aplicada a los filtros de paso bajo será de alrededor de 20 kHz. Y la frecuencia de la onda cuadrada producida por el convertidor boost estará en algún lugar entre 100kHz y 500kHz.

    
pregunta Golaž

2 respuestas

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Comencemos con algunos conceptos básicos aquí

$$ V = N \ dfrac {d} {dt} \ Phi = N \ cdot A_e \ dfrac {d} {dt} B $$

Aquí \ $ B \ $ es la densidad de flujo y para una ferrita típica que funciona a 20 kHz, personalmente estaría diseñando para un cambio de densidad de flujo de alrededor de $ 200 \ text {mT} \ $

Suponiendo que el voltaje de entrada es de 27 voltios pico a pico máximo, ciclo de trabajo del 50% @ 20kHz \ $ dt = 25 \ mu s \ $

Ahora sabemos todo, excepto \ $ A_e \ $ y \ $ N \ $, por lo que podemos reorganizar la ecuación anterior para encontrar \ $ N \ cdot A_e \ $

$$ N \ cdot A_e = \ dfrac {V \ cdot dt} {dB} = \ dfrac {27 \ cdot 25 \ times 10 ^ {- 6}} {0.2} = 3.38 \ times 10 ^ {- 3 } $$

Tenga en cuenta que este producto está usando Área en unidades SI (\ $ m ^ 2 \ $) y que la hoja de datos probablemente proporcione \ $ A_e \ $ in \ $ \ text {mm} ^ 2 \ $ por lo que queremos \ $ 3380000 \ text {mm} ^ 2 \ $

En teoría, cualquier combinación de \ $ N \ cdot A_e \ $ funcionará, pero notamos que mientras más giros tengamos, más área se necesita para los bobinados y el tamaño del cable que necesitamos está establecido por la corriente que necesita llevar. Una cifra típica para el tamaño de cable es asumir una densidad de corriente máxima de \ $ J = 4.5 \ cdot \ dfrac {\ text {amp}} {\ text {mm} ^ 2} \ $

Dada nuestra corriente de 7.5 amperios, esto requiere un diámetro de cable de \ $ \ sqrt {\ dfrac {4 \ cdot I} {J \ cdot \ pi}} \ approx 1.5 \ text {mm} \ $

Por lo tanto, podemos tener un núcleo con muchos giros y pequeños \ $ A_e \ $ o pocos giros y grandes \ $ A_e \ $ el diseño más económico será el núcleo más pequeño en el que cabrán los giros y si asumimos que el paquete de alambres no sea el área requerida para un solo giro es \ $ A_t = (1.5 \ text {mm}) ^ 2 = 2.25 \ text {mm} ^ 2 \ $

Por lo tanto, podemos trabajar en el área requerida para el bobinado \ $ A_w = N \ cdot A_t \ Rightarrow N = \ dfrac {A_w} {A_t} \ $

Sustituyendo esto en la ecuación anterior

$$ N \ cdot A_e = \ dfrac {A_w \ cdot A_e} {A_t} = \ dfrac {V \ cdot dt} {dB} \ Rightarrow A_w \ cdot A_e = \ dfrac {A_t \ cdot V \ cdot dt } {dB} = 7605000 \ text {mm} ^ 4 $$

Donde \ $ A_e \ $ es el área efectiva central y \ $ A_w \ $ es el área de bobinado disponible teniendo en cuenta la bobina.

Ahora, la bobina que ha diseñado tendrá mucha más inductancia de la que desea, por lo que deberá introducir un espacio de aire. Por lo general, no intento calcular esto, pero le pido a mi casa sinuosa que abra el núcleo, en la pata central, para darme la inductancia que quiero.

El convertidor boost puede diseñarse de una manera similar, pero le pediría más consejos, ya que a frecuencias tan altas la piel y los efectos de proximidad son significativos.

    
respondido por el Warren Hill
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Para seleccionar un núcleo adecuado, debe consultar los datos del fabricante. Algunos de ellos publican hojas de datos muy extensas y notas de aplicación.

Por ejemplo, hace un tiempo me encontré con esta muy buena FERROXCUBE ferritos blandos y accesorios del archivo de datos . En su interior, encontrará información extensa sobre materiales de ferrita y núcleos de ferrita, con sugerencias y fórmulas de aplicación. Probablemente no sea una guía paso a paso para especificar un inductor, pero la mayoría de los datos están ahí.

Por ejemplo, este es un extracto de la sección sobre material 3C90:

yesteesunextractodelasecciónsobreuntipodenúcleotoroidalespecífico:

    
respondido por el Lorenzo Donati

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