Wie überwindet eine schaltende Netzteilspule das Problem des Sättigungsstroms?

Öffnet man einen schaltenden Abwärtswandler, wie er auch in seinem Desktop-Rechner zum Einsatz kommt, stellt man nur fest, dass ein relativ kleiner Ringkerntransformator letztendlich den Strom für den Nutzer bereitstellt.

Sicher, der Flyback arbeitet mit hoher Frequenz, was die Impedanz enorm erhöht, und es gibt einen ganzen Regulierungsmechanismus, aber darum geht es nicht: Diese Netzteile können problemlos 7A oder viel mehr liefern (15A nicht ungewöhnlich). Dieser hohe Strom wird letztlich vom kleinen Trafo bereitgestellt. Ohne die magnetische Wirkung würde nichts passieren.

Meine Frage ist: Wie können diese Transformatoren einen so hohen Strom verarbeiten, ohne zu sättigen?

Ich denke, Ihr erster Satz des zweiten Absatzes beantwortet Ihre eigene Frage? Und: Ich stimme der Aussage "relativ kleiner Induktor" nicht wirklich zu.
Ich denke, er meint klein im Verhältnis zur Größe von Transformatoren oder Niederfrequenzinduktoren, die die gleiche Strommenge führen.
Was es bedeutet, dass Sie Ihre Gefühle über die Größe von Dingen neu kalibrieren müssen, wenn sie bei bestimmten Frequenzen verwendet werden und eine interne Konstruktion haben, von der Sie nichts wissen. Grundsätzlich muss es wahr sein, wenn es passiert. Gewöhnen Sie sich jetzt an die Idee. Nehmen Sie einen auseinander, messen Sie ihn, gewöhnen Sie sich daran, wie er sich verhält, lesen Sie darüber.
Wenn Sie "Induktivität" sagen, sprechen Sie über den Transformator im Netzteil?
Ja, das meinte ich. Entschuldigung für den Satz "relativ kleiner Induktor". Ich meine nur, wenn Sie diesen Transformator nehmen und die Primärseite mit einem 50-Hz-Wechselstrom speisen, stellen Sie fest, dass die Sekundärseite ihre Arbeit bis zu etwa 0,5 A effektiv erledigt (wahrscheinlich sogar weniger), und dann nimmt der Strom mehr oder weniger ab in einem umgekehrten Verhältnis zum Primärstrom (nun, das habe ich durch direkte Maßnahmen herausgefunden, das kann falsch sein).

Antworten (1)

Betrieb mit hoher Frequenz bedeutet: -

  • Sie übertragen eine kleinere Energie mehrmals pro Sekunde = gleiche Belastbarkeit wie bei einem herkömmlichen Transformator.
  • Sie vermeiden eine Kernsättigung, die mit dem Laufen bei einer niedrigeren Frequenz verbunden ist

Die Kernsättigung hängt mit der Spitzenflussdichte des Kernmaterials zusammen. Für einen typischen Ferrit sind das etwa 0,35 Tesla: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Für Siliziumstahl (herkömmliche Transformatoren) können dies etwa 1,3 Tesla sein: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Auf den ersten Blick ist Ferrit also schlechter als herkömmliche Silizium-Stahl-Laminate, weil es bei einem niedrigeren H-Feld gesättigt wird. Dies ist jedoch nicht die ganze Geschichte. Wie die Graphen zeigen, "bildet" die magnetische Flussdichte über die magnetische Permeabilität des Kerns auf das H-Feld ab. Das Ziel jedes Induktor- oder Transformatordesigns besteht darin, die Erzeugung eines Spitzen-H-Felds zu vermeiden, das den Kern übermäßig sättigen könnte.

Da der Strom in einem Induktor linear mit der Zeit ansteigt (bei einer festen angelegten Spannung), können Sie diese Gleichspannung nicht sehr lange anlegen oder Sie erzeugen ein H-Feld, das den Kern zu stark sättigt. Hier kommt der Betrieb mit hohen Frequenzen der modernen Stromversorgung zugute.

Bei einer höheren Frequenz können Sie also die Induktivität proportional kleiner machen. Dies bedeutet, dass Sie weniger Windungen haben können (alles andere ist gleich) und mit weniger Windungen erhalten Sie ein proportional kleineres H-Feld.

Dies bedeutet einen proportional kleineren Induktor/Transformator.

BEARBEITEN - Berücksichtigen Sie in Bezug auf die Mathematik eines einfachen Flyback-Transformators eine Primärinduktivität von 1 mH, die alle 10 us für 5 us (50:50 Einschaltdauer) über eine Gleichstromschiene von 300 Volt gehalten wird. In 5 us steigt der Induktorstrom linear auf 1,5 Ampere an, basierend auf der Formel V = L di/dt.

Die gespeicherte Energie beträgt 1,125 mJ ( L ICH 2 / 2 ) und dies wird 100.000 Mal pro Sekunde übertragen. Das ist eine kontinuierliche Leistungsübertragung von 112,5 Watt. Wenn Sie sich viele Ferritkernspezifikationen ansehen, würden Sie wahrscheinlich feststellen, dass Sie etwa 30 Windungen benötigen würden, um 1 mH zu erhalten, und dies bedeutet, dass die magnetomotorische Kraft (Amperewindungen) 1,5 x 30 = 45 betragen würde.

Ein Ferritkern sollte ein H-Feld von etwa 400 Amperewindungen pro Meter vertragen und das „pro Meter“-Bit definiert die Kernlänge – das bedeutet eine Kernlänge von 45/400 Metern oder 113 mm, oder, wenn a quadratischer Kern verwendet wird, wird er entlang der Mittellinie etwa 28 mm x 28 mm groß sein. Unter Berücksichtigung, dass der Kern eine anständige Querschnittsfläche haben muss, könnten die Außenabmessungen 33 mm x 33 mm betragen.

Dies ist nur ein spontan gearbeitetes Beispiel.

Thx für deine Antwort Andy. OK für die Tatsache, dass Sie mit weniger Windungen die gleiche Induktivität wie eine große Niederfrequenzinduktivität erhalten können. Aber das reicht (nach meinen Messungen) bei weitem nicht aus, um einen hohen Sättigungsstrom zu liefern: Bei niedrigen Frequenzen verlieren solche Transformatoren ihre Leistung bei weniger als 1A. Vielleicht liegt die Lösung in Ihrem Zwischensatz: „Wie die Diagramme zeigen, wird die magnetische Flussdichte über die magnetische Permeabilität des Kerns auf das H-Feld „abgebildet“. Kern." kannst du das näher ausführen?
Sie missverstehen - weniger Windungen entsprechen nicht der gleichen Induktivität. Das kann niemals wahr sein. Höhere Frequenzen bedeuten, dass der Strom niemals auf die Werte ansteigen kann, die bei niedrigeren Frequenzen beobachtet werden. Dies vermeidet Kernsättigung.
Oh oh natürlich meinte ich Impedanz (wie ich in meiner Frage schrieb).
Wenn der Strom nicht auf hohe Werte ansteigen kann, wie Sie sagen, wie kann der Transformator 15 A an die Klemmen übertragen?
Ich habe die von Ihnen zitierten Wörter geändert, um sie besser lesbar zu machen, falls Sie sich fragen. Es dreht sich alles um Energieübertragung: Die Anzahl der Energieübertragungen pro Sekunde bezieht sich auf die Kraftübertragung. Wenn Sie 1 mJ pro Sekunde übertragen, ist das eine Lastleistung von 1 mW (erbärmlich). Wenn Sie 1 mJ 100.000 Mal pro Sekunde übertragen, dann ist das eine Leistungsübertragung von 100 Watt. Sie entwerfen also die Primärwicklung, um ein angemessenes Maß an magnetischer Energie zu speichern, und laden und entladen (übertragen) diese Energie dann mit der höchstmöglichen Rate, um eine angemessene Ausgangsleistung zu erzielen.
Hm. Ok, das kann ich nachvollziehen, aber das ist trotzdem nicht ganz befriedigend, denn das erklärt nicht, wie das den Strom im Trafo senkt: schließlich ist bei jedem Trafo das Verhältnis der Ströme zwischen Primär und Sekundär festgelegt, egal was ist die frequenz. Und wenn die Endklemmen 10 A DC ausgeben, sollten 10 A rms durch die Sekundärseite des Transformators fließen, oder?
1 mH bei 1,5 Ampere bedeutet eine gespeicherte Energie von 1,125 Millijoule. 100 kHz bedeutet, dass aus Energie eine nutzbare Leistung (ohne Berücksichtigung von Verlusten) von 112 Watt wird. Wenn Sie also 5 Mikrosekunden lang 300 Volt an einen 1-mH-Induktor anlegen und die Stromrampen auf 1,5 Ampere (Standard-Induktorformel) ansteigen, erhalten Sie 112 Watt bei 100 kHz.
Flyback-Transformatoren funktionieren nicht wie herkömmliche Transformatoren, obwohl sie baugleich sind! Sie können nicht mehr in Bezug auf das Windungsverhältnis denken - das Flyback-Design entspricht einem Transformator mit variablem Windungsverhältnis.
Dank Ihrer Hinweise beginne ich zu verstehen. Ich muss noch in die Theorie eintauchen, um sie vollständig zu verstehen. Ich denke auch, dass Sie Ihre Antwort so bearbeiten können, dass sie Ihre letzten Kommentare enthält, die die Frage viel mehr beantworten als die aktuelle Antwort.
Wie überwindet eine schaltende Netzteilspule das Problem des Sättigungsstroms?
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