PORADNIK

ELEKTRONIKA

r

Radioelektronik Audio-HiFi-Vide 11/2003

10

MAGNETIC DESIGNER

I JEGO MO¯LIWOŒCI

Program Magnetic Designer jest

przystosowany do projektowania

cewek o okreœlonej indukcyjnoœci

pracuj¹cych w obecnoœci dowolnych

kombinacji sk³adowych sta³ych

i zmiennych pr¹du. Najbardziej typowe

zastosowania programu obejmuj¹

projektowanie cewek filtrów i transfor-

matorów zasilaczy impulsowych.

P

rogram Magnetic Designer jest przeznaczony do projekto-

wania uzwojeñ warstwowych, nawijanych na rdzeniach ma-

gnetycznych o prostok¹tnym lub okr¹g³ym kszta³cie ob-

szaru uzwojeñ. W typowym projekcie korzysta siê z rdzeni

ferrytowych kubkowych, torroidalnych, rdzeni EI lub EE, rdzeni C i rdze-

ni ferromagnetycznych laminowanych EI (rys. 1). Program jest przy-

stosowany do projektowania jednofazowych, wielouzwojeniowych

transformatorów pracuj¹cych w zakresie ma³ych i wielkich czêstotliwo-

œci, nawet powy¿ej 1 MHz. Typowe zastosowania obejmuj¹ transfor-

matory sieciowe 60 Hz (50 Hz) o rdzeniach laminowanych, transfor-

matory pracuj¹ce przy 400 Hz o rdzeniach typu C i transformatory oraz

cewki o rdzeniach ferrytowych do zasilaczy impulsowych wielkiej

czêstotliwoœci.

Na rys. 2 przedstawiono wzajemne u³o¿enie rdzenia i uzwojenia dla

przypadku rdzenia z prostok¹tnym oknem. Typowo, cewki s¹ nawija-

ne na karkasach lub s¹ formowane do kszta³tu rdzenia i nastêpnie mo-

cowane na rdzeniach tworz¹c podzespó³ w ostatecznym kszta³cie.

Rdzeñ przedstawiony na rys. 2 jest rdzeniem typu E z prostok¹tn¹

kolumn¹ (post) œrodkow¹. Mo¿e byæ on zbudowany z kszta³tek E-I la-

minowanych lub ferrytowych. Podstawowy proces projektowania przy

u¿yciu Magnetic Designera jest stosowany w przypadku wielu in-

nych typów rdzeni, takich jak rdzenie kubkowe (garnkowe), które ma-

j¹ œrodkow¹ kolumnê okr¹g³¹.

Przekrój typowego transformatora lub cewki indukcyjnej przedsta-

wiono na rys. 3. Puste przestrzenie po obu stronach karkasu s¹ na-

zywane marginesami koñcowymi. Nale¿y zwróciæ uwagê, ¿e izolacja

miêdzy uzwojeniami (przek³adka) rozszerza marginesy. To rozwi¹za-

nie jest stosowane do zwiêkszenia odstêpu miêdzy przylegaj¹cymi

uzwojeniami w celu unikniêcia mo¿liwoœci przebicia napiêciowego wy-

nikaj¹cego z bliskoœci powierzchni.

Przedstawiono trzy uzwojenia. Pierwsze i ostatnie uzwojenia s¹ nawi-

niête typowym drutem nawojowym (magnet), ka¿de ma 30 zwojów.

Œrodkowe uzwojenie jest dwuzwojowe foliowe. Cewka ma izolacjê

miêdzy kolejnymi warstwami oraz przek³adki do izolacji indywidual-

nych uzwojeñ i zabezpieczenia ostatniego uzwojenia. Budowa cew-

ki jest okreœlona przez wysokoœæ okna, które jest wype³nione zwoja-

mi. Wspó³czynnik wype³nienia jest okreœlany jako stosunek wysoko-

œci uzwojenia do wysokoœci okna.

Magnetic Designer umo¿liwia wybór z szerokiego asortymentu

dostêpnych drutów nawojowych typów: Heavy Formvar, Small For-

mvar i Litz o wymiarach 10

÷

40 AWG (europejskie szeregi wymiaro-

we s¹ równie¿ dostêpne); kwadratowe (square and double-square)

druty nawojowe s¹ o wymiarach do 30 AWG; œcie¿ki drukowane (na

p³ytkach PCB) s¹ okreœlane gruboœci¹ warstwy miedzi, minimaln¹ sze-

rokoœci¹ œcie¿ki, minimalnym odstêpem œcie¿ek i gruboœci¹ PWB; fo-

lie mog¹ byæ okreœlane ró¿n¹ gruboœci¹. Mo¿na stworzyæ w³asn¹ ta-

blicê drutów z innym œrednicami. Na przyk³ad, druty kwadratowe

mog¹ byæ edytowane w celu opisu wirtualnego dowolnego formatu

prostok¹tnego. Mo¿na równie¿ opisaæ tablicê z nietypowym zestawem

wymiarów. Uzwojenia mog¹ byæ równie¿ nawijane jednoczeœnie

dwoma lub wiêcej drutami (bifilarne i multifilarne).

Rys.1.

Ksztaty

dostêpnych rdzeni

magnetycznych

Rys. 2. Transformator

na rdzeniu

Rys. 3. Przekrój transformatora lub cewki

Trzy opcje izolacji umo¿liwiaj¹ u¿ytkownikowi okreœlenie gruboœci izo-

lacji, gruboœci przek³adki i szerokoœci marginesów. Je¿eli s¹ uzwoje-

nia wielowarstwowe, izolacja miêdzywarstwowa mo¿e byæ umie-

szczana pomiêdzy wszystkimi warstwami folii.

Magnetic Designer wybiera dane rdzeni bezpoœrednio z baz danych

obejmuj¹cych dane mechaniczne, geometryczne i magnetyczne tysiê-

cy ró¿nych rdzeni. Mo¿na wprowadzaæ w³asne geometrie rdzeni, ma-

teria³y i druty.

Po wybraniu rodziny rdzeni i materia³u oraz wprowadzeniu danych za-

wieraj¹cych wymagania elektryczne, Magnetic Designer wykonuje

dzialania obliczeniowe u¿ywaj¹c skutecznych algorytmów. Program

wybiera geometriê rdzenia, stosunek liczb zwojów, wymiary drutu

i liczbê kolejnych przybli¿eñ w celu spe³nienia wymagañ projekto-

wych przy uwzglêdnieniu wzrostu temperatury i wype³nienia okna.

Po zakoñczeniu obliczeñ, program szacuje takie parametry charakte-

rystyczne, jak szczytowa gêstoœæ strumienia magnetycznego, sk³ado-

wa zmienna gêstoœci strumienia magnetycznego, rezystancja sta³o-

pr¹dowa uzwojenia, rezystancja przy wielkiej czêstotliwoœci (uwzglê-

dnienie naskórkowoœci), straty w uzwojeniu (zarówno sta³o- jak i zmien-

nopr¹dowe), straty w rdzeniu, indukcyjnoœæ rozproszon¹, pojemnoœæ

uzwojenia, masê, sprawnoœæ, temperaturê podczas pracy i wspó³czyn-

nik procentowy zape³nienia okna.

Dane techniczne uzwojenia i parametry elektryczne mog¹ byæ wyœwie-

tlane, przenoszone do edytora tekstów lub drukowane na drukarce.

Charakterystyka uzwojenia obejmuje fizyczny opis projektu transfor-

Toroidalny

Kubkowy

E

Cut-C

EP

Zwoje

Karkas

Uzwojenie

Cewka

Rdzeñ

Koñcówki

elastyczne

Przekladka

foliowa

Magnes koñcowy

Warstwa
wewnêtrzna

11

matora wraz z takimi danymi, jak rozmiary rdzenia, rodzaj materia³u rdze-

nia, d³ugoœæ szczeliny, uzwojenia, œrednica drutu itp. Specyfikacja pa-

rametrów obejmuje gêstoœæ strumienia, indukcjê magnetyczn¹, rezy-

stancje uzwojeñ dla pr¹du sta³ego i sygna³ów wielkiej czêstotliwoœci dla

ka¿dego uzwojenia, straty w rdzeniu i miedzi oraz sprawnoœæ.

Magnetic Designer ponadto tworzy model SPICEa i symbol schema-

towy zaprojektowanego obiektu, umo¿liwiaj¹cy u¿ywanie go w projek-

tach uk³adów elektronicznych przygotowywanych przy u¿yciu popular-

nych edytorów schematów i symulatorów analogowych.

Demonstracyjna wersja programu Magnetic Designer ma w³aœciwoœci

wersji pe³nej, produkcyjnej za wyj¹tkiem:

q

ograniczonej bazy danych rdzeni,

q

braku danych w formie arkusza kalkulacyjnego Excel; u¿ytkownik

nie mo¿e zmieniaæ i uzupe³niaæ bazy danych.

czynnika wype³nienia przebiegu zasilaj¹cego, przy napiêciu wejœcio-

wym 110 V, zosta³a ograniczona do 50%. W celu uzyskania œrednie-

go napiêcia wyjœciowego 5,5 V (napiêcie wyjœciowe powiêkszone

o spadek napiêcia na prostowniku), transformator musi dawaæ na

uzwojeniu wtórnym napiêcie o wartoœci szczytowej 11 V, czyli

11 V podczas trwania dodatniej po³ówki i -11 V podczas po³ówki

ujemnej (przy wype³nieniu 50%). Pr¹d w uzwojeniu wtórnym trans-

formatora wynosi zatem 10 A przy napiêciu +11 V i zero przy na-

piêciu -11 V. Wartoœæ sk³adowej sta³ej pr¹du, przy wype³nieniu 50%,

wynosi zatem 5 A.

Przyk³ad dotyczy projektowania transformatora do przetwornicy spe³-

niaj¹cego nastêpuj¹ce wymagania techniczne:

Typ rdzenia

Pot (kubkowy)

Materia³ rdzenia

F

Maksymalny wzrost temperatury uzwojenia [

o

C]

50

Maksymalna temperatura otoczenia [

o

C]

55

Moc wyjœciowa [W]

55

Czêstotliwoœæ [kHz]

40

Napiêcie na uzwojeniu pierwotnym [V]

110

Wartoœæ skuteczna pr¹du pierwotnego [A]

0,5 (dc) i 0,5 (ac)

Napiêcie na uzwojeniu wtórnym [V]

11

Wartoœæ skuteczna pr¹du wtórnego [A]

5 (dc) i 5 (ac)

Indukcja maksymalna [Gauss]

3000

Proces projektowania transformatora przy u¿yciu pakietu programo-

wego Magnetic Designer, polega na wyborze rdzenia i wprowadze-

niu danych do programu – szablonu projektowego o nazwie ”De-

sign Wizard”. Po zakoñczeniu obliczeñ program generuje dane

wyjœciowe w postaci przedstawionej na rysunkach:

Rys. 6. Model Spice transformatora Trafo_55W

Rys. 4. Przekrój uzwojenia transformatora Trafo_55W

Rys. 5. Dane konstrukcyjne transformatora Trafo_55W

q

przekrój uzwojenia transformatora (rys. 4) – sposób u³o¿enia

uzwojeñ

q

dane konstrukcyjne transformatora (rys. 5) – dane liczbowe

transformatora.

Po zakoñczeniu projektu jest generowany model matematyczny

transformatora _ SPICE model (rys. 6) oraz raport koñcowy.

Program Magnetic Designer w wersji ewaluacyjnej jest dostêpny

bezp³atnie na stronie internetowej firmy Intusoft pod adresem

www.intusoft.com

n

Cezary Rudnicki

Przyk³ad projektowania transformatora

zasilacza impulsowego

Przetwornica stanowi zasadnicz¹ czêœæ zasilacza impulsowego

o napiêciu wyjœciowym 5 V i pr¹dzie wyjœciowym do 10 A. Minimal-

ne napiêcie wejœciowe wynosi 110 V. Maksymalna wartoœæ wspó³-