Diseño de inductancias y transformadores

[Picuino]

Una aclaración. Para igualar ambas corrientes y reducir la corriente de pico, hay que reducir la energía almacenada por la bobina.

Lo más eficiente es mantener una corriente de pico alta aunque no coincida con la corriente rms. Pero hay que tener en cuenta esto en el diseño del circuito para que no se queme la bobina con una corriente rms demasiado alta.

Un saludo.

[Picuino]

Voy a calcular varios casos.

Creo que ese carrete soportará sin problema unas 24 vueltas de hilo de 0.4mm de diámetro en cada hueco, compuesto de 3 capas de 8 vueltas cada una.
Si intentas bobinar otra capa, creo que no tendrás espacio.
Eso hace un total de 48 vueltas.


Solución 1:

   Entrehierro = 4 hojas de papel = 0.4mm en barra central + 0.4mm exterior

   AL = 56 nHy

   N = 12*2 + 12*2 = 24 vueltas de 2 hilos en paralelo

   L = 56 nHy · 24^2 = 32 uH

   I_rms_max = 2 A

   I_pico =  B_max · Ae / (N · AL) = 0.35 · 19.5 · 10^-6 / (16 · 56 · 10^-9) = 5A

   E_max = 417 uJ    (energía máxima almacenada en la bobina)

Podría servir para una fuente conmutada que mantenga corrientes en forma de diente de sierra y momentos sin corriente (conducción discontinua).
También para una bobina de una fuente tipo boost que cargue un condensador cada cierto tiempo. No debería funcionar a corriente máxima (5A) más allá de unos segundos. Después debería parar para enfriarse.


Solución 2:

   Entrehierro = 3 hojas de papel = 0.3 mm en barra central + 0.3 mm exterior

   AL = 68 nHy

   N = 12*2 + 12*2 = 24 vueltas de 2 hilos en paralelo

   L = 68 nHy · 24^2 = 39 uH

   I_rms_max = 2 A

   I_pico =  4.2 A

   E_max = 343 uJ    (energía máxima almacenada en la bobina)
   
Esta bobina tiene más inductancia y menos corriente de pico. La energía almacenada a corriente de pico es menor, se aprovecha menos el núcleo.


Solución 3:

   Entrehierro = 2 hojas de papel = 0.2 mm en barra central + 0.2 mm exterior

   AL = 92 nHy

   N = 12*2 + 12*2 = 24 vueltas de 2 hilos en paralelo

   L = 92nHy · 24^2 = 53 uH

   I_rms_max = 2 A

   I_pico = 3 A

   E_max = 253 uJ    (energía máxima almacenada en la bobina)
   

Tú eliges.

Con un núcleo de mayor ventana, por ejemplo un núcleo doble E, se podrían ajustar más las corrientes para que fueran iguales.

Saludos.

[AcoranTf]

A mi me vale.

En este caso la bobina es un poco pequeña. Un valor más práctico sería el de 50uH que se puede conseguir con 30 vueltas.

Ahora calculamos la corriente máxima de la inductancia:

   B_max = 0,25 Tesla
                 No he encontrado el datasheet del material CF138, así que supongo este valor.
   Ae = 19,5 mm^2
   N = 30
   AL = 56nH
   L = 50uH

   I_max = B_max · Ae / (N · AL)
   I_max = 0,25 · 0,0195 / (11 · 56 · 10^-9)
   I_max =  3 Amperios

El hilo debería conducir un máximo de 8 Amperios por milímetro cuadrado.
Si colocas 2 hilos en paralelo de 0,2mm2 de grosor y 0,5mm de diámetro (como el hilo de un cable UTP)
conseguirás 0,4mm2 de grosor total y una densidad de corriente máxima de 7,5 Amperios/mm2, que es aceptable.

El problema es que no podrás utilizar hilo de cable UTP porque el recubrimiento es muy grueso y no cabe en ese núcleo.
Si utilizas cable de cobre esmaltado sobre un carrete muy fino (papel o cartulina) tendrás justo el hueco necesario.

Ya tienes una buena bobina.

Un saludo.

Con esto me surge una duda. Si lo importante es la intensidad maxima y no tenemos en cuenta el voltaje, tendriamos que un mismo nucleo podria dar mayor potencia a mayor voltaje. Eso no me acaba de convencer.
Por eso y volviendo al nucleo que cite antes, el EE70X32X22 con el cual quiero hacer un transformador con primario doble, (push-pull) de 48 V. y secundario sencillo de 96 V. Me gustaria saber como calcular la potencia maxima que podra manejar.

Saludos.

[Picuino]

Las bobinas no son iguales a los transformadores.

Los transformadores para un Push-Pull pueden transferir energía del primario al secundario sin almacenarla dentro. Por eso no te valen las limitaciones de la bobina. Sí que influyen algo, ya lo veremos, pero en principio tienes que pensar que un tranformador push-pull puede manejar mucha más potencia que una bobina en un boost o un buck.

Hay una excepción. Un transformador Flyback en realidad es una bobina boost disfrazada. El transformador hace las veces de bobina, como en un Boost, de manera que un Flyback puede transferir menos potencia que un push-pull con el mismo núcleo porque toda la energía que transfiera al secundario tiene que almacenarla dentro.


Ya que lo has planteado, si queréis pasamos a diseñar ese transformador.

[Picuino]

¿Puedes colgar un enlace al datasheet del núcleo y el material?

Si has conseguido hacer alguna medición fiable de AL (factor de inductancia o permeabilidad) sin entrehierro y para entrehierros pequeños, también vendría bien.

Si el diseño es algo serio, al final deberías comprar el núcleo con entrehierro del fabricante, pero para hacer el prototipo, será suficiente con poner hojas de papel.

[AcoranTf]

Ya que lo has planteado, si queréis pasamos a diseñar ese transformador.

Me parece bien.

¿Puedes colgar un enlace al datasheet del núcleo y el material?

Si has conseguido hacer alguna medición fiable de AL (factor de inductancia o permeabilidad) sin entrehierro y para entrehierros pequeños, también vendría bien.

Lo unico que tengo es lo que comente mas atras, cuando explicaste como calcular la AL.

Código: [Seleccionar]

Acabo de hacer la medida con un nucleo de ferrita del tipo EE7032, cuyas medidas son 70 de ancho, 33 de alto cada E y 32 de espesor, la columna central de la E mide 32 X 22 todo
 ello en milimetros. Con lo cual tenemos un nucleo de 70 X 66 X 32 y con un grueso de la columna central de 22 mm.
Dandole 10 vueltas, me da una inductancia de 307 uH, o lo que es lo mismo 307.000 nH. Pero al dividir cualquiera de los dos valores por 100, el resultado no se acerca a ninguno de los
 que dan las tablas que tengo para medidas similares de nucleos.
¿Podrias decirnos en que unidades se debe poner la inductancia? y por otro lado, ¿es correcta mi deduccion?. O en todo caso ¿donde esta el error?.

Si el diseño es algo serio, al final deberías comprar el núcleo con entrehierro del fabricante, pero para hacer el prototipo, será suficiente con poner hojas de papel.

Si pretendo que sea serio, en realidad es para un inversor DC/AC, que llevara 4 transformadores identicos cuyos primarios son conducidos por parejas de MOS-FET independientes para cada transformador y los secundarios, conectados en serie para obtener los 384 Vdc que serviran para el ondulador senoidal de 230Vac 50 Hz.
Estos nucleos proceden de cargadores de baterias industriales, en los cuales funcionan sin airgap y dan un buen rendimiento. Por los datos del cargador, deduzco que cada transformador deberia ser capaz de manejar algo mas de 2000 W. Tengo los datos de los bobinados originales, en los cuales me estoy basando para reconvertirlos en los que yo necesito. Pero al surgir este tema, considere buena idea recalcularlo todo sin tener en cuenta los datos originales y basandonos solo en los propios nucleos.
No tengo la hoja tecnica, ya que tampoco tengo la referencia de los nucleos.
¿Crees que se podra lograr lo que comento?.

Saludos.

[Picuino]

No tengo experiencia con ese tipo de circuito, pero te ayudaré en lo que pueda con los transformadores.

Creo que este es tu núcleo:
https://en.tdk.eu/inf/80/db/fer/e_70_33_32.pdf

Según tus datos del ensayo:
   N = 10
   L = 307 uH
   AL = 3070 nH/vuelta^2

No coincide con ningún material, debería ser mayor.
¿tiene entrehierro?
¿El medidor de inductancia es fiable?

Si tienes un osciloscopio puedes hacer el ensayo rápido de cargar un condensador de 1uF con una resistencia de 10k a 5V y luego cortocircuitar el condensador en paralelo con la bobina a ver a que frecuencia resuenan. Si la frecuencia es de 9kHz (periodo de 110us) entonces se confirma la medición anterior.

Un saludo.

[AcoranTf]

Por las medidas si que podria ser ese, coinciden todas las medidas. Respecto al material, no se si sera N27 o N87, en cualquier caso ya ves que el AL para N27 es de 8800 y para el N87 de 9700. Por eso te decia que quedan muy lejos del resultado obtenido en el calculo de la prueba.
El LCR meter, creo que si es fiable, las pruebas que he hecho midiendo inductancias comerciales de valor conocido son bastante aproximadas.
El nucleo no tiene entrehierro o airgap, las dos E estan perfectamente unidas y sin separacion.
¿Sabes si habria alguna forma de saber con seguridad el tipo de material?.
Respecto a la prueba con osciloscopio, no te entendi bien, ¿quieres decir que cargue el condensador y despues lo descargue sobre la bobina?, si es asi la medida no creo que la pueda realizar, ya que la descarga sera muy rapida y mi osciloscopio es analogico y sin memoria.

[Picuino]

Vamos a hacer otra prueba que puede sacarnos de dudas.
Quita una vuelta al núcleo (9 vueltas) y mide la nueva inductancia.

Necesitas conocer el material para saber la frecuencia y la máxima inducción. También puedes sacar datos interesantes de los parámetros del circuito donde estaban los núcleos:
  Frecuencia de trabajo.
  Tensión de los devanados y número de vueltas de los devanados.

Un saludo.

[Picuino]

¿Crees que se podra lograr lo que comento?.

Seguro que podrás hacer un inversor con esos núcleos. Lo que no tengo claro es la potencia máxima que podrás conseguir, pero eso también depende del circuito electrónico. Lo más eficiente es un puente H. Un Push-pull es más sencillo, pero consigue menos potencia.

Saludos.

[AcoranTf]

¿Crees que se podra lograr lo que comento?.

Seguro que podrás hacer un inversor con esos núcleos. Lo que no tengo claro es la potencia máxima que podrás conseguir, pero eso también depende del circuito electrónico. Lo más eficiente es un puente H. Un Push-pull es más sencillo, pero consigue menos potencia.

Saludos.

En el cargador al que pertenecen esos nucleos, manejaban mas de 2000 W por nucleo y el circuito estaba configurado en semipuente, con divisor capacitivo para el otro extremo del bobinado. El tema es que en el cargador se utilizan como "reductor" de voltaje, o sea partimos de los 320 Vdc que se obtienen de rectificar los 230 Vac y se consigue un voltaje final proximo a los 32 Vdc. Mientras el uso que yo les quiero dar es justo el contrario, partiendo de los 48 Vdc de la bateria, pretendo conseguir el doble, o sea 96 Vdc por transformador y conectando 4 en serie conseguir los 384 Vdc necesarios para el ondulador.
Lo de elegir el sistema de push-pull es por simple logica constructiva y practica. Para manejar 2000 W con 48 V y configuracion puente H, se necesitaria una corriente en el bobinado de 42 A. aproximadamente, lo cual lleva a utilizar composiciones de hilos muy gruesas. En cambio al utilizar configuracion push-pull, cada rama de este maneja la mitad de corriente, con la consiguiente simplificacion del bobinado. Por contra tiene el inconveniente de necesitar el doble de espiras. De otro lado en el push-pull ambos transistores estan referenciados a masa, lo cual tambien simplifica el circuito. Todos los inversores comerciales que he podido estudiar, utilizan el sistema push-pull para la etapa elevadora y el de puente H para el ondulador.

Saludos.

[AcoranTf]

Vamos a hacer otra prueba que puede sacarnos de dudas.
Quita una vuelta al núcleo (9 vueltas) y mide la nueva inductancia.

Necesitas conocer el material para saber la frecuencia y la máxima inducción. También puedes sacar datos interesantes de los parámetros del circuito donde estaban los núcleos:
  Frecuencia de trabajo.
  Tensión de los devanados y número de vueltas de los devanados.

Un saludo.

Tengo buenas noticias, o al menos eso creo. En un lateral de los nucleos, llevan una inscripcion: "-27 u9", supongo que el -27 se referira al material, que seria N27, la u9 no se que puede significar.
Por otro lado y basandome en tu idea de hacer pruebas con menos espiras, he realizado varias medidas con 10 vueltas y con 5, en ambos casos he procurado que las condiciones sean lo mas estables posibles y no tocar el nucleo con las manos. El resultado es tambien optimista, con 10 espiras obtengo 745 uH. estables en distintas medidas. No entiendo que paso el otro dia que me daba 307 uH. Con los 745 uH tendriamos un AL de 7450, dentro de los margenes para el nucleo N27.
Por otro lado con 5 espiras, obtengo una inductancia de 203 uH, que dividido por 25 da 8120, igualmente dentro de lo normal.
Respecto a los datos del cargador original, lo que tengo seguro porque lo saque al debobinar el transfo, es que el secundario tenia una relacion de 8 V/espira. El primario tenia una relacion algo mas baja, pero supongo que sera para tener margen de ajuste mediante el PWM. La frecuencia de trabajo, no la conozco con exactitud, pero creo que debia estar sobre los 70 KHz.
Con estos nuevos datos, creo que han mejorado las condiciones para seguir con el proyecto.
¿Que piensas tu al respecto?.

Saludos.

[Picuino]

Tienen mejor pinta. Voy a buscar la referencia que has puesto sobre el material.

¿Recuerdas qué tensión y cuántas espiras tenía el primario?

[AcoranTf]

Los datos del transformador original los tengo anotados en una hoja por algun lugar, voy a buscarla y te digo.

[Picuino]

Puede que sea importante definir qué es una vuelta en este caso.
Estamos con un núcleo doble E.
Para dar una vuelta el hilo pasa por una ventana y vuelve por la otra. Los extremos acaban en el mismo lado.
Para dar dos vueltas, el hilo entra dos veces por una ventana y sale dos veces por la otra. Los extremos acaban en el mismo lado. En las dos ventanas puedes ver 2 hilos que las cruzan.
Lo mismo para más vueltas.

Si has contado las vueltas de esa manera, todo está bien.



No encuentro esa referencia. Cuando un material comienza por el signo negativo, suele referirse a polvo de hierro y no creo que sea este caso.
De todas formas, manteniendo el campo magnético por debajo de 0.25 Tesla no creo que haya problemas.

Otros valores que podemos tomar es el número de vueltas, la tensión y la frecuencia. Con ellos se puede calcular el máximo campo magnético que soportaba el núcleo en el circuito donde estaba instalado. Pero sin datos fiables, no deberíamos tener en cuenta estos valores.

Un saludo.