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Diseño de transformadores a altras frecuencias

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Cesar Patiño

on 8 October 2012

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Transcript of Diseño de transformadores a altras frecuencias

Cesar patiño
Yeison Ortiz
Zamir Quiñonez

Universidad de cundinamarca Diseño de transformadores
a altas frecuencias los transformadores utilizados en las fuentes de alimentación como la fly back, manejan por lo general frecuencias altas.

Es un problema ya que presentan perdidas en los devanados del transformador gracias a las corrientes eddy, histéresis y efecto del entrehierro. Esto genera atenuación de voltaje y afecta el rendimiento óptimo de la fuente.

en los transformadores la máxima densidad de flujo es limitada por las perdidas en el núcleo y la frecuencia de operación. introducción Considerando los diferentes tipos de funcionamiento de un elemento magnético podemos obtener los siguientes datos iniciales usados de manera general en los procedimientos de diseño y que nos permitirá tener un mejor conocimiento para establecer los primeros criterios a considerar en el diseño. Es muy importante, entender el funcionamiento del elemento magnético en cada aplicación en particular, más
conocimiento mejor diseño. Consideraciones generales para el diseño de un elemento
magnético CRITERIOS DE DISEÑO TRANSFORMADOR DE ALTA FRECUENCIA
(forward) DISEÑO DE TRANSFORMADORES CON FERRITAS LINEALES. http://www.frm.utn.edu.ar/tecnologiae/apuntes/transformadores.pdf

DISEÑO Y SIMULACIÓN POR SOFTWARE DE FUENTES CONMUTADAS

DISEÑO DE ELEMENTOS magnéticos EN ALTA FRECUENCIA. ING ROGER EFRAIN CARRILLO
referencias Datos iniciales Según la aplicación primero se determina los datos iniciales, las formas de onda y funcionamiento del elemento magnético, su posible impacto en la curva B-H. Estos datos son comunes a cualquier método de diseño. Valor de inductancia deseada, L para el caso de un inductor Depende de los parámetros de la aplicación.

Valor de corriente Irms y Ipico, Para el caso de un transformador, los valores con respecto a la corriente de entrada y la salida a máxima carga o potencia de salida. Para el caso de un inductor, la corriente de operación. Densidad de corriente J de operación Generalmente se utiliza una densidad de corriente de 4.5 A/mm2. Esta densidad produce un incremento de temperatura en el devanado de aproximadamente 25C a temperatura ambiente. Dado que la densidad de corriente no solo se relaciona con la temperatura de operación del devanado, sino también con el grosor del conductor a seleccionar y por tanto el número de vueltas que puede ocupar la ventana con cierto conductor a una corriente dada. Se cumplen las siguientes relaciones Factor de utilización de la ventana, Ku (factor de llenado) Depende del tipo de conductor a utilizar. Para conductor alambre magneto redondo, considerando aislamiento entre capas, se utiliza comúnmente Ku=0.4.

En caso de utilizar alambre trenzado, para evitar el efecto piel y proximidad: Ku=0.2. Curva B-H Aunque todavía no tenemos los datos finales de funcionamiento, se puede bosquejar la curva B-H de funcionamiento, según la forma de corriente que maneja el elemento magnético. Esto permitirá establecer por un
lado si es necesario tomar en cuenta las pérdidas en el núcleo y el posible valor inicial de la densidad de flujo. Depende también de la frecuencia de operación. Frecuencia de operación, f Depende de las características de la aplicación. Sin embargo, a la hora de seleccionar la frecuencia de trabajo, es recomendable verificar la curva fxB de los materiales, ya sea para seleccionar el mejor material disponible a la frecuencia de operación seleccionada o cambiar la frecuencia de operación de la aplicación a un valor que permita la máxima utilización del núcleo según el material disponible. Impedancia del inductor, XL Con el valor de inductancia y la frecuencia de operación se obtiene Selección del material del núcleo Para seleccionar el material adecuado se necesita como dato de entrada la frecuencia de operación del elemento magnético. El fabricante proporciona tablas de sugerencia de material magnético en función de la aplicación y de la frecuencia de trabajo. También son útiles las gráficas del factor de desempeño, que nos permiten escoger el mejor material de acuerdo a la frecuencia manteniendo constante las pérdidas en el núcleo en un nivel aceptable. Para un cierto diseño, mejorar el funcionamiento reduciendo las pérdidas del núcleo implica seleccionar un mejor material del núcleo. También pudiera ser necesario, según el material disponible, cambiar la frecuencia de operación del circuito a un valor que permita maximizar la utilización del núcleo, según su curva de desempeño. Selección de la forma geométrica La forma geométrica depende de las características de la aplicación, disposición física del elemento magnético, necesidad de aislamiento magnético, temperatura del medio y ventilación del embobinado. . Selección de la densidad de flujo de trabajo El fabricante, por medio del factor de desempeño del material del núcleo, permite establecer de manera gráfica el punto de partida para escoger una densidad de flujo de operación de tal manera que las pérdidas en el núcleo se mantengan en un nivel constante y aceptable, tomando como variable la frecuencia de operación. Tabla de resumen de datos generales de diseño de un elemento magnético Para el diseño de transformadores de alta frecuencia y alta potencia se requiere de: un material que presente bajas pérdidas específicas .
(pérdidas por unidad de peso o volumen).
para frecuencias elevadas, un elevado valor del flujo máximo y buenas propiedades térmicas.
Los materiales más adecuados para esta aplicación son los denominados ferrites que son compuestos de óxidos ferromagnéticos con uno o varios óxidos de metales bivalentes Básicamente existen dos grupos de compuestos: Los ferrites Nickel-Zinc .
aplicaciones de: alto Q en rangos de frecuencias entre 500KHz y
100MHz por su alta resistividad volumétrica, se emplean en inductancias para circuitos resonantes y también son utilizados en transformadores de banda ancha.

Los ferrites Manganesio-Zinc.
Las cerámicas de Mn-Zn poseen permeabilidades mayores que las anteriores y menor resistividad volumétrica. Ofrecen altos valores de Q para rangos de frecuencias entre 1KHz a 1MHz. Son ampliamente utilizadas en convertidores de potencia de modo conmutado en el rango entre 20KHz a 100KHz Pérdidas en los componentes magnéticos Los materiales magnéticos en general poseen pérdidas considerables debido a la histéresis propia del material y a las corrientes parásitas inducidas en éste, ante la presencia de campos magnéticos alternados en el interior.

En las perdidas de componentes magnéticos encontramos:

Perdidas en el núcleo.
Perdidas en los bobinados. PASO 1: Seleccionar el material y la configuración del núcleo. Se selecciona el material ferrita, debido a que es el material mas adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y sus perdidas por corrientes parásitas son bajas.

para este tipo de aplicación la mejor configuración en cuanto a núcleo es la F, ya que esta presenta una baja inductancia de dispersión. LAS RAZONES DE UNA BAJA DE INDUCTANCIA DE DISPERSIÓN SON: 1) La presencia de inductancia de dispersión implica menos
acoplamiento entre arrollamientos, apartándose del comportamiento ideal del transformador.
2) La inductancia de dispersión juntamente con las capacidades distribuidas de los bobinados limita la frecuencia máxima de operación.
3) Está relacionada con el error de cálculo que se presenta en el diseño de un inductor.
4) Tiene que ver con la influencia que tiene sobre las pérdidas en los conductores, a través del efecto de proximidad.
5) Afecta a compatibilidad electromagnética (EMC). La existencia de inductancia de dispersión genera interferencia electromagnética (EMI) aledaños. PASO 2: Determinar la excursión de la densidad de flujo máxima (BM ). se escogió por medio del datasheet expuesto el delta B = 50mt, que corresponde a la ferrita tipo 3f3 que trabaja a una frecuencia de 300khz PASO :Cálculo del núcleo y número de vueltas La inductancia de magnetización del transformador vista desde el primario para un factor de acoplamiento K=1, puede expresarse igual a la autoinductancia del bobinado primario de la forma
Tomando la longitud del núcleo igual a la mitad de la longitud de la línea entonces la ecuación anterior quedará:
Por la ley de Faraday-Lenz la relación entre la densidad de flujo máxima y la tensión eficaz de una forma de onda cuasi-cuadrada (de ancho 2/3pi), es igual a:
De las ecuaciones anteriores se determinan el numero de vueltas del primario y el área efectiva del núcleo Para determinar Lm se define por la siguiente ecuación:
Para determinar el número de vueltas del primario a través de debemos elegir el material del núcleo para definir el valor de ur y Bm.
Tomando una inductancia de 300h y un valor de Bm aproximadamente igual a 50mT (para 300Khz da una pérdida del núcleo cercana a 60mW/cm3).
Este resultado nos da un orden de magnitud. Si se adopta como tal no permite lograr una exacta relación. Por lo tanto el mínimo valor a adoptar es 9 vueltas de primario y 7 vueltas de secundario. El área efectiva del núcleo se calcula adoptando N1=9 0
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