Transformadores de Núcleo de Ferrite: Guia Completo de Fundamentos e Prática

A maioria dos transformadores de energia elétrica tem enrolamentos secundário e primário como características básicas. Outras vezes, pode haver enrolamentos terciários. Como tal, deve haver um acoplamento de fluxo eficaz entre os enrolamentos para acionar o transformador. Consequentemente, há a adição de um caminho magnético de baixa relutância de alta proficiência para garantir que o acoplamento de fluxo funcione excelentemente. O caminho magnético é o que chamamos de núcleo.

Agora, núcleos são de materiais variados como ferrites, aço, silício e muitos mais. Este artigo focará exclusivamente em núcleos de ferrite e explicará os diferentes tipos, benefícios e aplicações. Adicionalmente, podemos dar outros conhecimentos que podem ser de importância para você.

1. O que é um Transformador de Núcleo de Ferrite?

Frequentemente, os núcleos magnéticos de ferrite têm uma combinação de compostos de manganês, zinco, níquel e óxidos de ferro. Como os compostos têm baixa coercividade, enquadram-se em ferrites macios. Tipos de núcleo de ferrite compreendem carcaça, toroidal, cilíndrico e núcleo fechado.

(indutores toroidais ou cilíndricos no núcleo magnético)

Transformadores de núcleo de ferrite geralmente têm maior demanda quando comparados a transformadores de núcleo de ferro. Os transformadores de ferrite têm vantagens, incluindo resistência a correntes elevadas, baixas perdas por histerese e não requerem laminação.

Por outro lado, transformadores de núcleo de ferro requerem laminação para atingir modo de baixas perdas por correntes parasitas. Além disso, como você não pode fazer laminações mais finas, tendem a ser ineficazes para frequências mais altas.

2. Tipos e Benefícios dos Transformadores de Núcleo de Ferrite

Tipos

A lista abaixo compreende os principais tipos de um transformador de núcleo de ferrite.

Manganês Zinco (MnZn)

Além de um MnZn ter maior permeabilidade, também tem nível de saturação mais alto que um ferrite de níquel-zinco. Portanto, são melhores em aplicações que têm frequência de operação menor que 5MHz. Além disso, a impedância do núcleo é adequada para indutores até 70MHz.

Níquel Zinco (NiZn)

Comparado a um MnZn, um NiZn tem maior resistividade. Por causa disso, você o usará principalmente em aplicações que exigem faixa de frequência de 2MHz a várias centenas de MHz. Além disso, sua impedância pode servir indutores que vão além de 70MHz. No entanto, um núcleo de ferrite NiZn é sensível à temperatura com temperatura de Curie ainda menor que 500°C.

Pó de Ferro

Pó de ferro é um choke de bobina de alta frequência que você pode usar apenas com ferrite.

Laminação / Amorfos e Nanocristalinos

Majoritariamente, você encontrará laminação/amorfos e nanocristalinos em áreas como UPS, conjuntos de solda e inversores.

Também é bom notar que núcleos de ferrite vêm em diferentes formas:

Núcleos ETD; Primeiro, temos os núcleos ETD com resistência de enrolamento mínima em seu poste central. A resistência do enrolamento permite otimização de dimensões para maiores eficiências de potência. Além disso, servem indutores e transformadores de potência eficientemente.

Núcleos EER; Segundo, há núcleos EER com característica de poste central redondo. Na maioria das vezes, o poste central redondo permitirá um comprimento de caminho de enrolamento mais curto quando comparado a um poste central quadrado.

Núcleo E, I; Sua característica é um enrolamento em bobina. E você pode montá-lo com facilidade. Usos do núcleo E, I: transformadores inversores, banda larga, potência, conversores, indutores de telecom e diferenciais.

Núcleos EFD; Possuem característica de área de seção transversal. Por causa disso, aplicações com vários transformadores e indutores e transformadores compactos podem se beneficiar deles.

(indutores de miçanga de ferrite)

Benefícios

Alguns dos benefícios de um transformador de núcleo de ferrite oferecidos para a maioria das aplicações elétricas incluem:

1. Primeiro, é altamente permeável a um ímã. Por causa disso, o transformador é frequentemente aplicável em transformadores de alta frequência.
2. Então, sua condutividade elétrica é baixa. Isso garante que o núcleo de ferrite não perca correntes parasitas.
3. Também, a intensidade do campo elétrico é maior. Isso permite uma mudança na direção magnética com pequenas perdas por histerese. O que mais, é bom notar que núcleos de ferrite duros têm menor coercividade que núcleos de ferrite macios.

(histerese em um campo magnético)

Outros benefícios dos transformadores de núcleo de ferrite na indústria elétrica incluem:

• Baixo fator de histerese,
• Altos valores Q,
• Baixa distorção de sinal, e
• Baixa sensibilidade DC.

3. Quais são as Principais Aplicações dos Transformadores de Núcleo de Ferrite?

Um transformador de núcleo de ferrite está em uma ampla gama de aplicações que consistem no seguinte:

• Conversores DC-DC; Aqui, eles diminuem ou aumentam a tensão de Corrente Contínua.
• Carregadores móveis; Evidentemente, cada carregador de telefone tem ampere e tensão particulares. Portanto, transformadores de núcleo de ferrite ajudam a elevar e reduzir a tensão conforme o requisito.
• Circuitos eletrônicos de potência; Todos os circuitos eletrônicos de potência com altas frequências integram um transformador de núcleo de ferrite. Por exemplo, existem inversores de onda senoidal pura e inversores de fonte de alimentação chaveada.
• Eletrodomésticos; Alguns eletrodomésticos que usam o transformador de ferrite incluem geladeiras, AC, máquinas de lavar e TVs. Além disso, o transformador ajuda na supressão de nível de ruído em filtração EMI enquanto operam.

(redução de ruído usando componentes de ferrite)

• Inversores DC sem escovas; Transformadores de ferrite convertem CA para CC ou CA para CA em circuitos inversores DC sem escovas.
• Painéis solares; Além disso, em painéis solares e baterias, os transformadores aumentam a baixa tensão CC.
• Veículos elétricos; Motores e carregadores de veículos elétricos usam transformador de núcleo de ferrite.
• Iluminação; Por fim, os transformadores de ferrite atuam como transformadores drivers e fornecem a tensão necessária em segmentos LED.

4. Como Calcular Transformadores de Núcleo de Ferrite

Primeiro e acima de tudo, tenha todos os parâmetros necessários em ordem. Nosso projeto aqui é uma topologia push-pull com derivação central.

Calcular espiras primárias

3 é a espira primária.

• Calcular espiras secundárias; Valor de pico secundário é constante em 310V. Ajuda a sustentar tensão de operação de 13V a 10,5V (mínima). Adicionais 20V aos 310V resultam em 330V, que é bom o suficiente para tensão de pico de saída máxima.
• Determinar a tensão secundária máxima para controle de feedback PWM; PWM é 98% do ciclo de trabalho total. Então, quando a bateria está em 10,5V, 310V no secundário, usamos o cálculo; 98% × 10,5 V = 10,29V. A tensão secundária máxima final está em 330V enquanto a tensão primária é 10,29V
• Encontrar razão de espiras primário-secundário; Razão é 330:10,29 = 32,1
• Calcular número de espiras secundárias é encontrado multiplicando as espiras primárias (3) e a razão de tensões (32,1). Agora, 32,1 × 3 = 96,3 arredondado para 96.
• Calcular o número de espiras auxiliares

Você precisará do enrolamento auxiliar para implementação externa. A fórmula é a seguinte:

5. Como Projetar Transformadores de Ferrite de Várias Topologias

Diferentes aplicações e tipos de núcleo têm nomes e topologias variados baseados no projeto do circuito. Algumas das topologias incluem flyback, push-pull, meia ponte e tipo carcaça. No entanto, ao projetar qualquer transformador de ferrite com qualquer forma de topologia, considere a forma, custo unitário, temperatura ótima, tamanho e frequência. Os pontos mencionados devem sustentar o transformador minimizando perdas no núcleo, fornecendo isolamento elétrico e prevenindo saturação do núcleo.

A frequência de operação e tamanho de transformadores de ferrite dependem de duas aplicações principais; potência e sinal.

(núcleos de metal ferromagnético)

Aplicações de sinal; o transformador de ferrite aqui tem alta frequência variando em escala de mega-Hertz e é de tamanho pequeno.

Aplicações de potência; contrário às aplicações de sinal, os transformadores aqui são grandes e de baixas frequências (faixa – 1kHz a 200kHz)

Passos

• Antes de iniciar seu processo de projeto de transformador, certifique-se de que seus requisitos alinhem com a aplicação desejada. Requisitos do projeto podem incluir nível de corrente, tensão de saída, frequências de operação e tensão de entrada.
• Em segundo lugar, verifique outros parâmetros incluindo temperatura de operação, estilo de montagem, isolamento, espaçamento, correntes de fuga e tamanho.
• Então, prossiga para seleção do núcleo. Você precisará de bobinas para ajustar o núcleo de sua escolha, e elas também ajudam na montagem do seu produto uma vez finalizado.
• Quartamente, usando as fórmulas sob o subtítulo 'como calcular transformadores de núcleo de ferrite', calcule as perdas de potência, número de espiras. Também, você pode calcular outros parâmetros necessários.
• Em seguida, você precisa determinar o tamanho do fio e corrente do enrolamento primário.

A fórmula é – Corrente primária = potência de saída total + perdas de potência do transformador dividido por tensão primária.

• Depois, determine o número de espiras que o enrolamento secundário precisa. Aqui, você verificará os fios do seu desenho mecânico. Então, certifique-se de que cabem na área de enrolamento no comprimento médio de espiras, altura e bobina. Além disso, adicione algum isolamento entre os enrolamentos mas também considere a altura total do enrolamento.
• Além disso, meça a tensão carregada e circuito aberto através do enrolamento secundário para verificar seu projeto. Novamente, use as fórmulas no subtítulo quatro para calcular a resistência de cada enrolamento. Também, calcule a queda de tensão no mesmo enrolamento. Queda de tensão = corrente × resistência.
• Finalmente, termine calculando a temperatura necessária. Aumento de temperatura em transformadores de ferrite resulta de perdas de potência no enrolamento e perdas de potência no núcleo. Dependendo da sua aplicação, o cálculo deve determinar uma temperatura aceitável.

6. Qual a Diferença Entre um Transformador de Núcleo de Ferrite e um Transformador Simples?

A tabela abaixo resume as diferenças entre um transformador simples e um transformador de núcleo de ferrite.

(transformador de bobina de cobre)

Conclusão

Em suma, transformadores de núcleo de ferrite são a melhor opção quando considerando aplicações de alta frequência, pois têm desempenho eficiente. Os transformadores têm alta permeabilidade magnética, alta coercividade e conduzem baixa potência elétrica. As aplicações de alta frequência incluem fonte de alimentação chaveada, filtros de ruído, indutores RF (radiofrequência), transformadores, etc.

Ainda oferecemos orientação sobre como usar esses transformadores ou comprar o certo. Caso tenha interesse, pode entrar em contato conosco, e ficaremos felizes em ajudar.