¿Cómo enrollar correctamente un transformador de alta frecuencia/alta tensión?

Por favor, ¿hay algún consejo o advertencia práctica que deba tener en cuenta al enrollar un transformador de alta frecuencia? Estoy acostumbrado a enrollar transformadores de 50/60 Hz y funcionan bien, pero ahora estoy tratando de hacer un transformador elevador de alta frecuencia (50 kHz) y tengo problemas, probablemente relacionados con pérdidas. Mi objetivo final es obtener 1500 V en el secundario, pero no llegué ni cerca de eso.

El núcleo que estoy usando es de ferrita, modelo NEER-28/17/12-2200-IP12R (hoja de datos: http://www.thornton.com.br/pdf/ner_28_17_12.pdf ), y un carrete correspondiente ( http: //www.eletrodex.com.br/media/catalog/product/cache/1/image/9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/1/_/1_60.jpg ), fabricado en baquelita. Creo que el carrete tiene paredes un poco gruesas, manteniendo los devanados a 1,5 mm de distancia de la ferrita, no sé si esto es un problema.

La señal PWM que estoy usando tiene un ciclo de trabajo del 50 %, 50 kHz, 0 V a 12 V, y se alimenta al transformador mediante un mosfet. Puedo ver una señal PWM limpia y fuerte en la salida del mosfet, estoy seguro de que se está encendiendo y apagando por completo.

Aquí está el circuito que estoy usando en mis pruebas:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Q2 actúa como un cambiador de nivel, ya que la señal PWM viene como 0V - 5V, y el mosfet debe oscilar en 0V - 12V. R3 y R4 actúan como un divisor de voltaje de alta impedancia (1/100), por lo que puedo medir voltajes más altos de manera segura. Mi objetivo es hacer que el transformador produzca 1500V en el secundario.

Una prueba con primario y secundario idénticos, con 3 vueltas cada uno, con cable AWG 20, funciona bien: si le aplico 12V al primario, puedo ver la misma onda en el secundario. Un poco distorsionado, pero supongo que es normal, ya que estoy usando un PWM (no es una onda sinusoidal).

Sin embargo, cuando pruebo un secundario con un cable más delgado (AWG 38) y unos cientos de vueltas, la onda que veo en el secundario es horrible, completamente distorsionada y el voltaje RMS resultante está muy por debajo de lo que debería ser.

Entonces, ¿hay algún consejo sobre cómo colocar los giros? Estoy bastante seguro de que aquí es donde radica el problema.

  • ¿Debo colocarlos uno al lado del otro, cubriendo la longitud del núcleo, o es mejor apilarlos y usar un núcleo más corto?

  • ¿Debo apilar primaria y secundaria? ¿O mantenerlos separados, sin superposición?

  • ¿Tiene el grosor del cable alguna influencia en el ruido y la distorsión?

  • Cuando el devanado llega al final del núcleo, ¿debo retroceder lentamente en la dirección opuesta, haciéndolo tantas veces como sea necesario, o debo llevar el cable perpendicularmente al inicio del devanado y comenzar de nuevo donde comencé, enrollando todas las capas en la misma direccion?

¡Cualquier sugerencia será muy apreciada! Muchas gracias a todos.

Eduardo

Bastante seguro de que está experimentando la saturación del núcleo, el núcleo de ferrita tiene un límite finito práctico en el flujo del campo magnético. Ya que está trabajando con tres bucles y no con cientos. Podría ser capaz de calcular el flujo de saturación conociendo su material. Además, ¿está funcionando sin carga en el secundario?
Hay muchos efectos parásitos de segundo orden que entran en juego en frecuencias altas que son insignificantes en las frecuencias de la línea eléctrica. La inductancia de fuga y la autocapacitancia se vuelven muy significativas, al igual que sus interacciones con la resistencia en serie de los cables. Además, lo que conecta a los devanados (impedancias de fuente y carga) se vuelve mucho más significativo. Este tema es demasiado amplio para abordarlo aquí, a menos que proporcione muchos más detalles sobre su aplicación específica.
@while1, ¿estás seguro? ¡Bmax en este núcleo es 2200, y en frecuencias tan altas, mis cálculos me llevaron a dos vueltas! Las frecuencias más pequeñas exigirían más vueltas, pero a 50 kHz, el número de vueltas se reduce drásticamente.
@DaveTweed, mi objetivo es conducir un CRT de deflexión electrostática (tipo osciloscopio), la carga es del orden de microamperios, es por eso que estoy probando con una carga resistiva de alta impedancia. Estoy pensando en reducir la frecuencia a algo así como 10 kHz y ajustar el número de vueltas en consecuencia. ¿Crees que esto reducirá la distorsión hasta el punto en que el transformador sea utilizable? Gracias.
@Marcovecchio Era algo para investigar. ¿Y suena confirmado? Dado que calculó la saturación en dos giros, en tres giros vio una ligera distorsión y en cien giros vio lo feo. Parece que los datos se ajustan a la hipótesis.
@while1, de hecho! Estaba seguro de que el núcleo tenía un Bmax de 2200, pero Andy señaló que esto probablemente sea incorrecto. Si Bmax es menor para este núcleo, de hecho está saturado. Lo miraré, gracias!
El secundario se enrolla primero, extendiendo el cable uniformemente alrededor del núcleo. El primario debe tener un mínimo de 6 vueltas incluso a 12 voltios repartidos por el núcleo; sin embargo, encontrará que este circuito es MUCHO más eficiente con un voltaje primario más alto, ya que significa menos vueltas en el secundario, menos fugas capacitivas y una Q mejorada. 24 voltios tus vueltas secundarias se cortan a la mitad.
Acabo de llamar al fabricante y dicen que debería considerar Bmax de 2000 para este núcleo. Sin embargo, dicen que debería considerar un núcleo con huecos, porque tiene un AL más pequeño. Pero primero probaré todas las sugerencias de todos. Gracias por los consejos sobre cómo enrollar el transformador, @Sparky256. ¡Esta es otra cosa que no estaba haciendo de la manera correcta!

Respuestas (3)

No importa cómo lo mire, está bombeando CC al primario del transformador. La fuente del FET querrá producir una onda cuadrada de 0V a +12V y el transformador querrá una forma de onda primaria que tenga un valor promedio de cero voltios. En algún lugar a lo largo de la línea, es posible que obtenga saturación porque no está "restableciendo" el flujo en el núcleo. En otras palabras, el flujo residual que queda de un ciclo de conmutación se acumula en el siguiente ciclo y se dice que el transformador está "caminando hacia la saturación".

Haz esto bien y luego comienza a preocuparte por el secundario porque, a menos que manejes el primario correctamente, estarás peleando una batalla perdida.

Gracias por la respuesta, pero ¿quiere decir que de alguna manera debería bombear -6V - +6V, en lugar de 0V - 12V? Esto tiene mucho sentido, pero ¿cómo sugieres que debería hacerlo? ¿Quizás algo así como un puente H?
Ciertamente lo hice y un puente H es una muy buena idea porque luego obtienes un voltaje de accionamiento de 24 Vp-p y puedes reducir las vueltas secundarias al 50%. Además, la hoja de datos para el núcleo es insuficiente: AL es 2200, no Bmax. Con AL a 2200 nH, su induicncia total durante 3 vueltas es de aproximadamente 20 uH y creo que verá una saturación masiva.
Gracias una vez más, pensé que AL era equivalente a Bmax. Enviaré un correo electrónico a la fábrica lo antes posible para preguntar sobre el verdadero Bmax para este núcleo. No estoy seguro de que el puente H resuelva todo el problema, pero ciertamente es la solución para un gran error que cometí, así que aceptaré la respuesta correcta.
Por cierto, debería poder obtener 1500 voltios con un poco de cuidado.

Interesante. Está impulsando el transformador primario con una configuración de seguidor de fuente de un solo extremo, lo que significa que el voltaje oscila entre +12 V - V GS (cuando Q2 está cortado) y V CE (SAT) - V GS (cuando Q2 está saturado ). Esto es casi una oscilación de 12 V, y eso es lo que se ve con un secundario 1:1 que está ligeramente cargado.

Sin embargo, tenga en cuenta que la corriente en el primario solo fluye en una dirección. Aumenta a una velocidad cuando el voltaje es alto y disminuye a una velocidad diferente cuando el voltaje es bajo. Durante la parte baja de la forma de onda, Q1 se mantiene conduciendo hasta que la corriente llega a cero, momento en el cual su VGS cae y se corta.

Cuando usa el secundario de 100:1, ahora tiene una transformación de impedancia de 10,000:1, lo que significa que su divisor de 1.1 MΩ ahora parece solo 110 Ω en paralelo con el primario. Cuando la salida de Q1 baja, la corriente se corta mucho más rápido, por lo que se ve una forma de onda tan distorsionada.

Como dice Andy, debe controlar el transformador con una señal bipolar para que la corriente fluya simétricamente en ambas direcciones. Hay muchas maneras de hacer esto:

  • Use un controlador de puente H completo con una sola fuente de alimentación
  • Use un controlador de medio puente con fuentes de alimentación bipolares
  • Use un primario de derivación central con una sola fuente de alimentación
Gracias por la respuesta, Dave. Acerca de la distorsión con la carga de 1 MΩ, me gustaría tener una forma de medirla sin carga, pero parece imposible, ya que cualquier sonda de alcance que use para medir tendrá impedancias del orden de mega-ohmios de todos modos. Tengo la sensación de que mi estilo sinuoso todavía tiene algo que ver con la distorsión, pero necesito probar más para estar seguro. Por cierto, muchas gracias por la idea del grifo central. Leí sobre esto antes, pero no entendí la idea antes, ¡ahora está muy claro! ¡Gracias de nuevo!
Para agregar a su lista de configuraciones de unidades, existe la posibilidad de usar un capacitor de bloqueo de CC y una resistencia de carga a tierra para ayudar con la corriente de caída.

He intentado durante mucho tiempo hacer PWM en transformadores, y lo mejor que puedes hacer es disparar para evitar la saturación del transformador. Lo primero que noté sobre su circuito es que no hay condensadores de almacenamiento. Realmente no puede acumular ninguna carga a partir del pico de voltaje a menos que lo almacene. Se necesita al menos una tapa y un diodo para mantener esa carga.

No necesita particularmente los diodos Schottky y creo que puede salirse con la suya con diodos y tapas de alto voltaje. No use resistencias para medir la salida; use un circuito divisor de voltaje de capacitor. La salida del divisor de voltaje capacitivo debe ser un MOSFET, que tampoco es resistivo.

Las resistencias matarán un circuito de alto voltaje.

Si realmente quiere circuitos de súper alto voltaje, puede usar una escalera multiplicadora Cockcroft-Walton.

También estoy bobinando mis propios transformadores, con la intención de generar una salida de 20 kV, por lo que estoy buscando más formas de reducir el voltaje de salida sin el uso de resistencias, que funcionan, pero a expensas de tiempo y energía.

Tengo un canal de YouTube en el que hablo de todo esto, y publicaré un video sobre este ejercicio en particular: enrollar un transformador de alto voltaje para usarlo en un He intentado durante mucho tiempo hacer PWM en transformadores , y lo mejor que puedes hacer es disparar para evitar la saturación del transformador.

Utilice algún formato para que sea más fácil de leer.
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