Aquecimento do transformador de fonte chaveada.

[menegola]

Olá pessoal,

Montei uma fonte chaveada, entrada 150V PK/PK com saída 300V PK/PK- 2A. Primário 1A secundário
A fonte é do H-bridge e trabalha a 38 kHz. Estou usando fio 4x22 AWG primário 2x22AWG Secundário núcleo toroidal A² 3cm 25 voltas primário 52 Secundário
O circuito funciona bem no osciloscópio, porém notei um aquecimento no transformador que estou achando excessivo.

Em regime permanente a temperatura do transformador chega perto dos 110 °C.
Alguém que já trabalhou com fontes chaveadas sabe dizer se esse aquecimento é normal??

[eng.viniciuspais]

Tenho umas fontes aqui de 10W que ferve

[eng.viniciuspais]

Ja experimentou aumentar a frequencia de chaveamento?

[menegola]

Baixando a frequência para 30khz e diminuir largura de pulso diminui a temperatura,mas neste caso estou também diminuindo a potência (elas por elas)

[menegola]

Segue especificações núcleo

[brasilma]

Não tenho experiência com fontes chaveadas, mas vou dar ideia com base geral...

Se aumentar a frequência de chaveamento a reatância vai aumentar e a corrente cair!

Geralmente o que faz bobina aquecer é a tenção DC sobre ela (indutor só funciona com variação de campo), portanto verifica se é possivel estreitar os pulsos, mudar forma de onda...

[andre_luis]

O circuito funciona bem no osciloscópio, porém notei um aquecimento no transformador que estou achando excessivo.

Aquecimento em fontes chaveadas ocorrem por 2 motivos, aquecimento no nucleo ou nos enfolamentos. Se voce nao conseguir identificar facilmente no dedômetro, volta pra prancheta e vê se não subdimensionou o AWG ou o Ae. Algum tempo atrás eu acharia os links pra isso de primeira, mas estou enferrujado e sem tempo; de qualquer forma com 2-3 formulas dá pra saber o que está errado.

[menegola]

1° Imagem carga Indutiva transformador toroidal conforme 1°post
2° Imagem carga resistiva lâmpada 60w 220V

Sinal com ponteiras osciloscópio no terminais primário transformador

[menegola]

O circuito funciona bem no osciloscópio, porém notei um aquecimento no transformador que estou achando excessivo.

Aquecimento em fontes chaveadas ocorrem por 2 motivos, aquecimento no nucleo ou nos enfolamentos. Se voce nao conseguir identificar facilmente no dedômetro, volta pra prancheta e vê se não subdimensionou o AWG ou o Ae. Algum tempo atrás eu acharia os links pra isso de primeira, mas estou enferrujado e sem tempo; de qualquer forma com 2-3 formulas dá pra saber o que está errado.

Acredito que sub não,mais fácil sobre.

Primário 4 x fios 22AWG (1A cada na tabela fabricante) 150V
Secundário 2 X fios 22AWG (1A cada na tabela fabricante) 300V
Núcleo 1300 gauss na tabela fabricante 2100 gauss +- 25%

[andre_luis]

Acredito que sub não,mais fácil sobre.

Que sorte, se o nucleo e o enrolamento estão adequados então seu transformador não está aquecendo...
Falando sério, está faltando o cabeçalho na tabela da 2a figura acima, não dá pra saber o que representa cada parâmetro.

[menegola]

Coloquei indutor de 4 mH na saída em serie com a carga, transformador parou de aquecer, passou aquecer o indutor.
Fiz indutor 2 fios 22AWG paralelos núcleo toroidal Ae 1cm²

Por que isso?

[andre_luis]

Coloquei indutor de 4 mH na saída em serie com a carga, transformador parou de aquecer, passou aquecer o indutor.

...Por que isso?

Por essa última informação dá pra supor que o transformador estava saturando, e agora o indutor é que está subdimensionado. A primeira coisa que vem é mente é aumentar o numero de espiras do indutor, mas não faço a menor ideia de que regra de cálculo voce utilizou pra isso ( a escolha de um parametro amarra os demais ). Pelo jeito vamos chegar ás conclusões de trás pra frente por eliminação, ao invés de calcular/verificar as dimensões corretas.

[brasilma]

Indutor em série com a carga atua como filtro!

Teoricamente (reiterando que não tenho experiência de fonte chaveada) o seu capacitor de saída pode estar sub-dimensionado!

Porem... se está resolvendo com indutor em série, creio que esta pode ser uma solução até mais interessante que mexer no valor do capacitor.

[MOR_AL]

O André está certo.
Observe a forma de onda das duas imagens.
1 - Com 60W resistivos, a fonte está sub utilizada, exigindo menos do trafo.
2 - Com carga indutiva tem um grande problema. Para onde irá a energia acumulada da carga em cada mudança de ciclo? Pode ocorrer que a carga tente devolver a energia, mas não há caminho elétrico. Ou pior ainda. Há um choque (hi!) de energias e o lado mais fraco sofre, que pode ser forçar uma condição oposta à que o trafo fornece.

Observações. Este tipo de fonte tem algumas características próprias:
1 - O aumento da corrente de primário é (basicamente) composto por dois fatores;

A corrente de magnetização, que cresce linearmente com o tempo. Igual a corrente em forma de rampa nas fontes flyback. Essa corrente é que poderia gerar os picos de sobretensão ao final de cada desligamento de um dos componentes de potência (Mosfet ou transistor bipolar ou o que seja). Por isso, normalmente se calcula o trafo para aparecer, no máximo, 10% da corrente máxima de primário. Além disso, como nas fontes flyback, um curto-circuito na saída não representa um curto na entrada e sim a retirada da energia acumulada, no final da condução, no núcleo do trafo.

A corrente de transferência do primário para o secundário. Esta ocorre durante o período em que o dispositivo de potência estiver conduzindo. O funcionamento é como um trafo comum, porém com sinal quadrado. Neste caso, um curto no secundário, provoca um curto no primário. Portanto, para limitar um pico de corrente nos capacitores de secundário (depois dos retificadores), tem que se colocar um indutor. Este indutor tem que ser calculado como aqueles indutores em fontes chaveadas do tipo step-up, ou step-down. Considere que após os diodos haja um trem de pulsos e que eles são considerados como uma fonte de tensão, com resistência interna muito baixa. O indutor tem duas tarefas. Uma de limitar a corrente de secundário. Outra para filtrar a onda do trem de pulsos, junto com o capacitor de saída.

2 - Outro fator importante é a simetria tanto do sinal de controle. O trafo pode migrar para uma das duas regiões de alta magnetização, ocorrendo a saturação do núcleo. Aliás o capacitor em série com o primário do trafo (CX1) tem a função de impedir um nível CC no primário do trafo. Em consequência, impedir a saturação por assimetria no controle de acionamento dos dispositivos de potência.

3 - Como o núcleo é toroidal, acredito que tenha sido produzido para não manter todo o fluxo contido nele. No caso de um trafo comum, para 60Hz, é desejado que todo o fluxo magnético fique confinado nele. No caso de fonte push-pull e similares, se fosse igual aos trafos comuns, haveria uma grande corrente de partida Inrush. Em núcleos formados por duas peças, costuma-se manter um micro gap ente eles. Algo como uns 25um. Menos da espessura de uma folha de papel.

Bom.
Com estas informações, talvez você possa encontrar e solucionar o problema de sua fonte. Mas é imperativo para o projeto de fontes chaveadas, que se visualize tanto a tensão como a corrente no primário do trafo. Pode até estar ocorrendo a saturação do núcleo devido o aumento do período de condução. A corrente de magnetização sobe a ponto de saturar o núcleo. Neste caso, a tensão retificada de primário é grande em relação a indutância de primário, o que indiretamente implica em se aumentar esta indutância. Caso o núcleo já esteja todo ocupado, há dois caminhos.
1 - Aumentar a frequência de chaveamento, mas isso aumenta as perdas tanto no núcleo como nos fios de primário.
2 - Aumentar o tamanho do núcleo para poder aumentar a indutância de primário. Isso diminui a corrente de magnetização, o que alivia o núcleo. Quanto ao fio de primário, a corrente de magnetização pode baixar, mas a corrente que é transferida ao secundário durante a condução, vai aumentar as perdas nele.
É rapaz.
Dá muito trabalho para se controlar todas as variáveis.
Bons projetos.
MOR_AL

[andre_luis]

Aqui vai um truque que lhe pode ser útil: Se voce precisa de uma indutancia adicional de um valor muito baixo, uma alternativa seria enrolar o trafo nao completamente, mas com meia fração (com "n,5" voltas), e assim é criado um indutor parasita com o valor de 1 espira enrolado sobre o mesmo nucleo do transformador, não precisando de um nucleo adicional. Não sei como isso poderia ser implementado no Toroidal, mas no EI fica assim:

• https://www.google.com/patents/US3768055

A propósito, procurando por referencia disso, fiquei surpreso que o conceito já tivesse sido patenteado (não tenho certeza se á aplicável somente ao EUA); aliás, em pesquisa que realizei num passado distante no INPI, a quantidade de circuitos e topologias de uso comum que tem patente requerida lá é assustador, digno de um debate á parte.