Ako vypočítať pomer otáčok transformátora pre aplikácie napájania

Pomer závitov transformátora je základným parametrom používaným na určenie napäťového vzťahu medzi primárnym a sekundárnym vinutím. Pri napájacích aplikáciách si však výpočet správneho pomeru závitov vyžaduje viac než len delenie vstupného napätia výstupným napätím.

V bežnom transformátore je pomer napätia priamo spojený s pomerom závitov vinutia. V spínanom napájacom zdroji závisí konečný návrh transformátora aj od topológie meniča, spínacej frekvencie, pracovného cyklu, tvaru vlny, spôsobu usmerňovania, magnetického jadra a rozsahu prevádzkového napätia.

Pre inžinierov a OEM kupujúcich pracujúcich s vysokofrekvenčným transformátorom alebo spínaným napájacím transformátorom môže pochopenie týchto vzťahov zefektívniť výber transformátora a vlastný vývoj.

1. Čo je to pomer otáčok transformátora?

Pomer závitov transformátora popisuje vzťah medzi počtom závitov na primárnom vinutí a počtom závitov na sekundárnom vinutí.

Pre ideálny transformátor:

Vp / Vs=Np / Ns

kde:

Vp=Primárne napätie

Vs=Sekundárne napätie

Np=Primárne otáčky

Ns=Sekundárne otáčky

Napríklad, ak je primárne napätie 400 V a požadované sekundárne napätie je 40 V:

400 / 40 = 10

Základný primárny{0}}pomer k{1}}sekundárnym otáčkam je preto:

Np : Ns=10 : 1

Tento výpočet poskytuje základný vzťah napätia. Sama o sebe neurčuje konečný návrh vinutia praktického napájacieho transformátora.

2. Ako vypočítať základný obratový pomer

Najjednoduchší výpočet je založený na primárnom a sekundárnom napätí.

Pomer otáčok=Primárne napätie / Sekundárne napätie

Zvážte napríklad transformátor s:

Primárne napätie: 240V

Sekundárne napätie: 24V

Základný pomer otáčania je:

240 / 24 = 10

Preto:

Np : Ns=10 : 1

Ak primárne vinutie obsahuje 200 závitov, teoretické sekundárne vinutie by obsahovalo:

200 / 10=20 otáčok

Toto je vhodné ako ideálny výpočet transformátora.

Pri skutočnom transformátore musí výrobca ďalej vyhodnotiť straty, prevádzkové podmienky, magnetický tok, prúd vinutia a špecifický obvod napájania.

3. Primárny-pomer k{2}}sekundárnym otáčkam v spínaných zdrojoch napájania

Spínaný napájací transformátor funguje inak ako bežný sieťový-frekvenčný transformátor.

Transformátor je normálne poháňaný spínaným priebehom generovaným polovodičovým spínacím obvodom. Napätie aplikované na primárne vinutie preto závisí od topológie napájania a podmienok spínania.

Bežné topológie zahŕňajú:

Flyback

Vpred

Stlačiť-vytiahnuť

Pol{0}}most

Úplný-most

Pretože tieto topológie prenášajú energiu odlišne, vzťah medzi vstupným napätím, výstupným napätím, pracovným cyklom a pomerom závitov transformátora sa tiež líši.

To je dôvod, prečo nasledujúci výpočet:

Vstupné napätie / výstupné napätie

by sa malo považovať skôr za východiskový bod než za konečnú návrhovú rovnicu pre každý spínaný zdroj.

4. Prečo pracovný cyklus ovplyvňuje pomer otáčok

V mnohých napájacích zdrojoch PWM je výstupné napätie riadené spínacím pracovným cyklom.

Pracovný cyklus predstavuje percento každej spínacej periódy, počas ktorej spínací obvod privádza energiu do transformátora.

Pre zjednodušený vzťah prevodníka môže výstupné napätie súvisieť so vstupným napätím, pracovným cyklom a pomerom závitov.

Reprezentatívny vzťah môže byť vyjadrený ako:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

kde:

Vout=Výstupné napätie

Vin=Relevantné vstupné napätie prepínacieho{1}}stupňa

D=Pracovný cyklus

Ns/Np=Pomer sekundárnych-k-primárnych závitov

Skutočná rovnica závisí od topológie prevodníka a konfigurácie obvodu.

Z tohto dôvodu musí výrobca transformátora poznať topológiu napájacieho zdroja pred určením konečného pomeru závitov.

5. Je potrebné zvážiť rozsah vstupného napätia

Použitie iba menovitého vstupného napätia môže viesť k nevhodnej konštrukcii transformátora.

Napríklad spínaný zdroj môže fungovať z:

300–400 V DC

namiesto jedného pevného napätia.

Transformátor musí správne fungovať v tomto rozsahu, pričom musí udržiavať požadované výstupné napätie a vyhýbať sa nadmernému magnetickému toku.

Pri vývoji vlastného transformátora poskytnite:

Minimálne vstupné napätie

Menovité vstupné napätie

Maximálne vstupné napätie

Maximálny pracovný cyklus

Frekvencia spínania

Potrebné výstupné napätie

Výstupný prúd

Pomer otáčok by sa mal vyhodnocovať v porovnaní s celým prevádzkovým rozsahom a nie s jednou nominálnou hodnotou.

6. Výstupné napätie nie je vždy rovnaké ako sekundárne napätie transformátora

Toto je jedna z najčastejších chýb pri výpočtoch pomeru závitov transformátora.

Predpokladajme, že napájanie vyžaduje regulovaný výstup 12 V DC.

Nemusí to nevyhnutne znamenať, že sekundárne vinutie transformátora by malo byť jednoducho navrhnuté pre 12 V.

Medzi transformátorom a konečným jednosmerným výstupom môže obvod obsahovať:

Usmerňovacie diódy

Synchrónna rektifikácia

Výstupné induktory

Kondenzátory

Obvody regulácie napätia

DPS vodiče

Tieto komponenty ovplyvňujú skutočné napätie dodávané do záťaže.

Sekundárne napätie transformátora je preto potrebné určiť podľa celého napájacieho obvodu.

V prípade vlastného vysokofrekvenčného transformátora by mal výrobca dostať skutočné požiadavky na sekundárnu -stranu, a nie iba konečné jednosmerné výstupné napätie.

7. Pokles napätia ovplyvňuje praktický pomer zákrut

Ideálny transformátor nemá žiadne elektrické straty. Skutočný transformátor áno.

Pokles napätia môže byť spôsobený:

Primárny odpor vinutia

Odpor sekundárneho vinutia

Pokles napätia usmerňovača

Úniková indukčnosť

Straty-zariadení

Odolnosť PCB

Ostatné straty prevodníka

Napríklad, ak konečný výstup musí zostať pri zaťažení 24 V, transformátor môže potrebovať poskytnúť sekundárne napätie, ktoré kompenzuje straty napätia vo zvyšku obvodu.

Výška kompenzácie závisí od konštrukcie napájacieho zdroja a podmienok zaťaženia.

Preto by mal byť skutočný pomer závitov stanovený po zvážení celej elektrickej dráhy.

8. Pomer otáčok a dizajn magnetického jadra

Pomer závitov určuje napäťový vzťah medzi vinutiami, ale absolútny počet závitov musí byť tiež kompatibilný s magnetickým jadrom.

V prípade vysokofrekvenčného transformátora sú primárne otáčky ovplyvnené:

Použité napätie

Frekvencia spínania

Maximálny pracovný cyklus

Hlavná prierezová-oblasť

Materiál jadra

Maximálna hustota toku

Prepínanie priebehu

Príliš málo primárnych závitov môže viesť k nadmernému magnetickému toku a potenciálne viesť jadro smerom k nasýteniu.

Príliš veľa závitov môže zvýšiť dĺžku vinutia, stratu medi, zvodovú indukčnosť a veľkosť transformátora.

Preto návrh transformátora vyžaduje oboje:

Správny pomer otáčok

a

Správny absolútny počet otáčok.

Tieto spolu súvisia, ale nejde o rovnaký konštrukčný parameter.

9. Pomer otáčok tiež určuje aktuálny vzťah

Pomer závitov transformátora súvisí s prúdom aj napätím.

Pre ideálny transformátor:

IP / je=Ns / Np

kde:

IP=Primárny prúd

Je=sekundárny prúd

Np=Primárne otáčky

Ns=Sekundárne otáčky

To znamená, že keď sa napätie zníži, sekundárna strana vo všeobecnosti prenáša vyšší prúd pri rovnakom prenášanom výkone.

To má priamy vplyv na konštrukciu vinutia transformátora.

Výrobca musí zvoliť vhodné rozmery vodičov a usporiadanie vinutí podľa aktuálneho prúdu.

Pre vysokoprúdové sekundárne vinutia môže konštrukcia vyžadovať:

Väčšie vodiče

Viacnásobné paralelné vodiče

Vhodné navíjacie vrstvy

Špeciálne usporiadanie navíjania

Preto by sa pomer otáčok mal vždy posudzovať spolu s požiadavkami na výkon a prúd.

10. Príklad: Výpočet otáčkového pomeru pre napájací zdroj

Zvážte zjednodušený spínaný zdroj s:

DC vstup: 320 V

Potrebný výstup: 24V

Prepínanie topológie: polovičný-most

Približný pracovný cyklus: 50 %

Jednoduché porovnanie napätia dáva:

320 / 24 = 13.33

Bolo by však nesprávne okamžite špecifikovať pomer transformátora 13,33:1 bez zohľadnenia polovičného{2}}mostíka.

Napätie skutočne aplikované na primárny transformátor transformátora, pracovný cyklus, metóda usmerňovania, straty napätia a rozsah regulácie ovplyvňujú konečný návrh.

Výrobca transformátora by preto použil úplnú špecifikáciu napájacieho zdroja na určenie:

Vhodné jadro

Primárne otáčky

Sekundárne otáčky

Pomer otáčok

Veľkosť drôtu

Usporiadanie navíjania

Izolačná štruktúra

Očakávaný nárast teploty

To je dôvod, prečo by mal byť vlastný vývoj transformátora vykonávaný spolu so skutočným návrhom prevodníka.

11. Bežné chyby vo výpočte pomeru otáčok transformátora

Chyba 1: Použitie vstupného napätia ÷ výstupného napätia ako konečného pomeru

Toto funguje ako ideálny východiskový bod, ale pre mnohé aplikácie spínaného napájania to nestačí.

Chyba 2: Ignorovanie topológie prevodníka

Konvertory Flyback, forward, polovičný{0}}mostík a úplný{1}}mostík majú rozdielne vzťahy prenosu napätia a energie-.

Chyba 3: Ignorovanie pracovného cyklu

PWM riadenie mení efektívne napätie a energiu dodávanú cez transformátor.

Chyba 4: Zamieňanie DC výstupu so sekundárnym napätím

Konečné regulované jednosmerné napätie sa môže líšiť od požadovaného sekundárneho napätia transformátora v dôsledku usmerňovania a iných strát v obvode.

Chyba 5: Výber pomeru otáčok bez kontroly jadrového toku

Správny pomer napätia môže stále viesť k nadmernej hustote toku, ak je absolútny počet primárnych závitov príliš nízky.

Chyba 6: Ignorovanie prúdu vinutia

Vodič vinutia musí byť schopný zvládnuť skutočnú efektívnu hodnotu a špičkové prúdy generované napájacím zdrojom.

12. Aké informácie by ste mali poskytnúť výrobcovi vlastného transformátora?

Pri požiadavke na vlastný transformátor pre napájací zdroj poskytnutie úplných technických informácií pomôže výrobcovi správne vyhodnotiť návrh.

Pre OEM projekty poskytujú tieto parametre výrobcovi vysokofrekvenčného transformátora dostatok informácií na vyhodnotenie magnetického a vinutia dizajnu namiesto spoliehania sa na neúplné špecifikácie napätia.

13. Kedy by ste mali spolupracovať s výrobcom transformátora?

Štandardný transformátor môže byť vhodný, ak napätie, výkon, frekvencia, rozmery a montážne požiadavky už zodpovedajú existujúcemu dizajnu.

Pre OEM zariadenia však môže byť potrebné prispôsobiť transformátor okolo skutočného napájacieho zdroja.

Vlastný výrobca transformátora môže vyhodnotiť:

Výber magnetického jadra

Primárne a sekundárne otáčky

Štruktúra navíjania

Výber drôtu

Izolácia

Úniková indukčnosť

Nárast teploty

Mechanické rozmery

Výrobná realizovateľnosť

Toto je obzvlášť dôležité, keď sa transformátor musí hodiť na konkrétnu dosku plošných spojov alebo pracovať v definovanom rozsahu účinnosti a teplôt.

Záver

Výpočet pomeru závitov transformátora začína vzťahom medzi primárnym a sekundárnym napätím:

Vp / Vs=Np / Ns

Ale tento ideálny vzťah je len východiskovým bodom pre praktický napájací transformátor.

Pri spínacích aplikáciách musí konečný návrh zohľadniť aj topológiu meniča, pracovný cyklus, rozsah vstupného napätia, usmernenie, straty napätia, frekvenciu spínania, magnetické jadro, hustotu toku, prúd vinutia a tepelné podmienky.

Pre vysokofrekvenčný transformátor sa musí správny pomer závitov a absolútny počet závitov vyvinúť spoločne. Vhodná konštrukcia by mala zabezpečiť požadovanú transformáciu napätia pri zachovaní magnetického toku, strát vo vinutí, nárastu teploty a celkových rozmerov v rámci požiadaviek aplikácie.

V prípade projektov OEM a vlastných zdrojov napájania je dodanie kompletných elektrických a mechanických špecifikácií výrobcovi transformátora najspoľahlivejším spôsobom na určenie vhodného návrhu primárneho a sekundárneho vinutia.

Kľúčové informácie

Pri výpočte pomeru závitov transformátora vždy zvážte:

• Primárne a sekundárne napätie
• Rozsah vstupného napätia
• Topológia prevodníka
• Pracovný cyklus
• Frekvencia spínania
• Spôsob nápravy
• Pokles napätia a straty obvodu
• Magnetické jadro a hustota toku
• Primárny a sekundárny prúd
• Izolačné a tepelné požiadavky

Pomer závitov určuje základný pomer napätia, ale úplný návrh transformátora určuje, či komponent bude skutočne spoľahlivo fungovať v napájacom zdroji.