Transformadores de Núcleo de Ferrita: Guía Completa de Fundamentos y Práctica

La mayoría de los transformadores de potencia eléctrica tienen devanados secundario y primario como características básicas. Otras veces, puede haber devanados terciarios. Como tal, debe haber un enlace de flujo efectivo entre los devanados para impulsar el transformador. Consecuentemente, se agrega un camino magnético de baja reluctancia y alta pericia para asegurar que el enlace de flujo funcione excelentemente. El camino magnético es a lo que nos referimos como núcleo.

Ahora, los núcleos son de materiales variados como ferritas, acero, silicio y muchos más. Este artículo se centrará únicamente en núcleos de ferrita y explicará los diferentes tipos, beneficios y aplicaciones. Además, podemos dar otro conocimiento que pueda ser de importancia para ti.

1. ¿Qué es un Transformador de Núcleo de Ferrita?

A menudo, los núcleos magnéticos de ferrita tienen una combinación de compuestos de manganeso, zinc, níquel y óxidos de hierro. Dado que los compuestos tienen baja coercitividad, caen bajo ferritas blandas. Los tipos de núcleos de ferrita comprenden carcasa, toroidales, cilíndricos y de núcleo cerrado.

Los transformadores de núcleo de ferrita suelen tener una mayor demanda en comparación con los transformadores de núcleo de hierro. Los transformadores de ferrita tienen ventajas, incluyendo resistencia a corrientes elevadas, bajas pérdidas por histéresis y no requieren laminación.

Por otro lado, los transformadores de núcleo de hierro requieren laminación para alcanzar un modo de bajas pérdidas por corrientes de Foucault. Además, ya que no puedes hacer laminaciones más delgadas, tienden a ser ineficaces para frecuencias más altas.

2. Tipos y Beneficios de los Transformadores de Núcleo de Ferrita

Tipos

La lista a continuación comprende los principales tipos de un transformador de núcleo de ferrita.

Manganeso Zinc (MnZn)

Además de un MnZn tener una mayor permeabilidad, también tiene un nivel de saturación más alto que una ferrita de níquel-zinc. Por lo tanto, son mejores en aplicaciones que tienen una frecuencia de operación de menos de 5MHz. Además, la impedancia del núcleo es adecuada para inductores hasta 70MHz.

Níquel Zinc (NiZn)

Comparado con un MnZn, un NiZn tiene una resistividad más alta. Debido a eso, lo usarás principalmente en aplicaciones que requieren un rango de frecuencia de 2MHz a varios 100MHz. Además, su impedancia puede servir inductores que van más allá de 70MHz. Sin embargo, un núcleo de ferrita NiZn es sensible a la temperatura con una temperatura de Curie aún más baja de menos de 500°C.

Polvo de Hierro (Iron Powder / Sand Dust)

El polvo de hierro es un choque de alta frecuencia que puedes usar solo con una ferrita.

Laminación / Amorfo y Nanocristalino

Mayormente, encontrarás la laminación/amorfo y nanocristalino en áreas como UPS, equipos de soldadura e inversores.

También, es bueno notar que los núcleos de ferrita vienen en diferentes formas como sigue:

Núcleos ETD: Primero, tenemos los núcleos ETD con resistencia de devanado mínima en su poste central. La resistencia de devanado permite la optimización de dimensiones para mayores eficiencias de potencia. Además, se adaptan eficientemente a inductores y transformadores de potencia.

Núcleos EER: En segundo lugar, hay núcleos EER con una característica de poste central redondo. La mayoría de las veces, el poste central redondo permitirá una longitud de camino de devanado más corta en comparación con un poste central cuadrado.

Núcleos E, I: Su característica es un devanado en bobina. Y puedes ensamblarlo con facilidad. Usos de núcleos E, I: transformadores de inversores, banda ancha, potencia, convertidores, inductores de telecom y diferenciales.

Núcleos EFD: Tienen una característica de área transversal. Debido a eso, aplicaciones con varios transformadores e inductores y transformadores compactos pueden beneficiarse de ellos.

Beneficios

Algunos de los beneficios de un transformador de núcleo de ferrita ofrecidos para la mayoría de aplicaciones eléctricas incluyen:

1. Primero, es altamente permeable a un imán. Debido a eso, el transformador a menudo es aplicable en transformadores de alta frecuencia.
2. Luego, su conductividad eléctrica es baja. Esto asegura que el núcleo de ferrita no pierda corrientes de Foucault.
3. Además, la intensidad del campo eléctrico es mayor. Esto permite un cambio en la dirección magnética con ligeras pérdidas por histéresis. Además, es bueno notar que los núcleos de ferrita dura tienen menor coercitividad que los núcleos de ferrita blanda.

Otros beneficios de los transformadores de núcleo de ferrita en la industria eléctrica incluyen:

• Un factor de histéresis bajo,
• Valores Q altos,
• Baja distorsión de señal, y
• Baja sensibilidad DC.

3. ¿Cuáles son las Principales Aplicaciones de los Transformadores de Núcleo de Ferrita?

Un transformador de núcleo de ferrita está en una amplia gama de aplicaciones que consisten en lo siguiente:

• Convertidores DC-DC: Aquí, disminuyen o aumentan el voltaje de Corriente Continua.
• Cargadores móviles: Evidentemente, cada cargador de teléfono tiene un amperaje y voltaje particular. Por lo tanto, los transformadores de núcleo de ferrita ayudan a elevar y reducir el voltaje como lo requiere la especificación.
• Circuitos de electrónica de potencia: Todos los circuitos de electrónica de potencia con altas frecuencias integran un transformador de núcleo de ferrita. Por ejemplo, hay inversores de onda senoidal pura e inversores de fuente de alimentación conmutada.
• Electrodomésticos: Un par de electrodomésticos que usan el transformador de ferrita incluyen refrigeradores, AC, lavadoras y TVs. Además, el transformador ayuda en la supresión del nivel de ruido en filtrado EMI mientras operan.

• Inversores DC sin escobillas: Los transformadores de ferrita convierten CA a CC o CA a CA en circuitos inversores DC sin escobillas.
• Paneles solares: Además, en paneles solares y baterías, los transformadores aumentan el bajo voltaje DC.
• Vehículos eléctricos: Motores de motor y cargadores de vehículos eléctricos usan un transformador de núcleo de ferrita.
• Iluminación: Por último, los transformadores de ferrita actúan como transformadores controladores y proporcionan el voltaje requerido en segmentos LED.

4. Cómo Calcular Transformadores de Núcleo de Ferrita

Primero y ante todo, ten todos los parámetros requeridos en su lugar. Nuestro diseño aquí es una topología push-pull con toma central.

Calcular vueltas primarias

• Calcular vueltas secundarias: El valor pico secundario es constante en 310V. Ayuda a mantener un voltaje de operación de 13V a 10.5V (mínimo). Un adicional de 20V a los 310V resulta en 330V, lo cual es suficiente para un voltaje pico de salida máximo.
• Determinar el voltaje secundario máximo para control de retroalimentación PWM: PWM es el 98% del ciclo de trabajo total. Así que, cuando la batería está a 10.5V, 310V en secundario, usamos el cálculo: 98% × 10.5 V = 10.29V. El voltaje secundario máximo final está en 330V mientras que el voltaje primario es 10.29V.
• Encontrar relación de vueltas primario-secundario: La relación es 330:10.29 = 32.1
• Calcular el número de vueltas secundarias se encuentra multiplicando las vueltas primarias (3) y la relación de valores de voltaje (32.1). Ahora, 32.1 × 3 = 96.3 redondeado a 96.
• Calcular el número de vueltas auxiliares

Requerirás el devanado auxiliar para implementación externa. La fórmula es la siguiente:

5. Cómo Diseñar Transformadores de Ferrita de Varias Topologías

Diferentes aplicaciones y tipos de núcleo tienen nombres y topologías variables basadas en el diseño del circuito. Algunas de las topologías incluyen flyback, push-pull, half-bridge y tipo carcasa. Sin embargo, al diseñar cualquier transformador de ferrita con cualquier forma de topología, considera la forma, costo unitario, temperatura óptima, tamaño y frecuencia. Los puntos mencionados deben sostener el transformador minimizando pérdidas del núcleo, proporcionando aislamiento eléctrico y previniendo la saturación del núcleo.

La frecuencia de operación y el tamaño de los transformadores de ferrita dependen de dos aplicaciones principales: potencia y señal.

Aplicaciones de señal: el transformador de ferrita aquí tiene una alta frecuencia en escala de mega-Hertz y es de tamaño pequeño.

Aplicaciones de potencia: contrario a las aplicaciones de señal, los transformadores aquí son grandes y de bajas frecuencias (rango – 1kHz a 200kHz)

Pasos

• Antes de comenzar tu proceso de diseño de transformador, asegúrate de que tus requisitos se alineen con la aplicación deseada. Los requisitos del proyecto pueden incluir nivel de corriente, voltaje de salida, frecuencias de operación y voltaje de entrada.
• En segundo lugar, verifica otros parámetros incluyendo temperatura de operación, estilo de montaje, aislamiento, espaciado, corrientes de fuga y tamaño.
• Luego, procede a la selección del núcleo. Necesitarás bobinas para ajustar el núcleo de tu elección, y también ayudan a montar tu producto una vez lo termines.
• Cuarto, usando las fórmulas bajo el subtítulo 'cómo calcular transformadores de núcleo de ferrita', calcula las pérdidas de potencia, número de vueltas. También, puedes calcular otros parámetros necesarios.
• Luego, necesitas determinar el tamaño del alambre y la corriente del devanado primario.

La fórmula es: Corriente primaria = potencia de salida total + pérdidas de potencia del transformador dividido por voltaje primario.

• Después, determina el número de vueltas que necesita el devanado secundario. Aquí, revisarás los alambres de tu dibujo mecánico. Luego, asegúrate de que quepan en el área de devanado en la longitud media de vueltas, altura y bobina. Además, agrega algo de aislamiento entre los devanados pero también considera la altura total del devanado.
• Además, mide el voltaje cargado y de circuito abierto a través del devanado secundario para verificar tu diseño. De nuevo, usa las fórmulas en el subtítulo cuatro para calcular la resistencia de cada devanado. También, calcula la caída de voltaje a través del mismo devanado. Caída de voltaje = corriente × resistencia.
• Finalmente, termina calculando la temperatura requerida. El aumento de temperatura en transformadores de ferrita resulta de pérdidas de potencia en devanados y pérdidas de potencia en el núcleo. Dependiendo de tu aplicación, el cálculo debe determinar una temperatura aceptable.

6. ¿Cuál es la Diferencia entre un Transformador de Núcleo de Ferrita y un Transformador Simple?

La tabla a continuación resume las diferencias entre un transformador simple y un transformador de núcleo de ferrita.

Conclusión

En definitiva, los transformadores de núcleo de ferrita son la mejor opción al considerar aplicaciones de alta frecuencia ya que tienen un rendimiento eficiente. Los transformadores tienen alta permeabilidad magnética, alta coercitividad y conducen baja potencia eléctrica. Las aplicaciones de alta frecuencia incluyen fuentes de alimentación conmutadas, filtros de ruido, inductores RF (radiofrecuencia), transformadores, etc.

Aún ofrecemos algo de orientación sobre cómo proceder con el uso de estos transformadores o comprando el adecuado. En caso de que estés interesado, puedes contactarnos y estaremos felices de ayudar.