Како израчунати однос обртаја трансформатора за апликације за напајање

Однос обртаја трансформатора је основни параметар који се користи за одређивање напонског односа између примарног и секундарног намотаја. За апликације за напајање, међутим, израчунавање исправног односа обртаја захтева више од једноставног дељења улазног напона са излазним напоном.

У конвенционалном трансформатору, однос напона је директно повезан са односом обртаја намотаја. Код прекидачког напајања, коначни дизајн трансформатора такође зависи од топологије претварача, фреквенције пребацивања, радног циклуса, таласног облика, методе исправљања, магнетног језгра и опсега радног напона.

За инжењере и ОЕМ купце који раде са високофреквентним трансформатором или трансформатором за прекидачко напајање, разумевање ових односа може учинити избор трансформатора и прилагођени развој ефикаснијим.

1. Шта је однос трансформатора?

Однос навоја трансформатора описује однос између броја завоја на примарном намотају и броја завоја на секундарном намотају.

За идеалан трансформатор:

Вп / Вс=Нп / Нс

где:

Вп=Примарни напон

Вс=Секундарни напон

Нп=Примарни окрети

Нс=Секундарни окрети

На пример, ако је примарни напон 400 В, а потребан секундарни напон 40 В:

400 / 40 = 10

Према томе, основни однос примарних-према-секундарних окрета је:

Нп : Нс=10 : 1

Овај прорачун даје основни однос напона. Он сам по себи не одређује коначни дизајн намотаја практичног трансформатора напајања.

2. Како израчунати основни однос окретаја

Најједноставнији прорачун се заснива на примарном и секундарном напону.

Однос обртаја=Примарни напон / Секундарни напон

На пример, размислите о трансформатору са:

Примарни напон: 240 В

Секундарни напон: 24 В

Основни однос обртаја је:

240 / 24 = 10

дакле:

Нп : Нс=10 : 1

Ако примарни намотај садржи 200 завоја, теоретски секундарни намотај би садржао:

200 / 10=20 окрета

Ово је прикладно као идеалан прорачун трансформатора.

За стварни трансформатор, произвођач мора даље да процени губитке, радне услове, магнетни флукс, струју намотаја и специфично коло напајања.

3. Однос примарних-према-секундарних напона у прекидачким изворима напајања

Прекидачки трансформатор за напајање ради другачије од конвенционалног трансформатора мрежне{0}}фреквенције.

Трансформатор се нормално покреће комутираним таласним обликом који генерише полупроводнички прекидачки круг. Напон који се примењује на примарни намотај стога зависи од топологије напајања и услова пребацивања.

Уобичајене топологије укључују:

Флибацк

Напред

Притисни{0}}повуците

Пола{0}}моста

Пун{0}}мост

Пошто ове топологије преносе енергију различито, однос између улазног напона, излазног напона, радног циклуса и односа обртаја трансформатора се такође разликује.

Због тога следећа рачуница:

Улазни напон / Излазни напон

треба третирати као почетну тачку, а не као коначну пројектну једначину за свако прекидачко напајање.

4. Зашто радни циклус утиче на однос окретаја

У многим ПВМ изворима напајања, излазни напон се контролише кроз радни циклус пребацивања.

Радни циклус представља проценат сваког периода укључивања током којег склопно коло примењује енергију на трансформатор.

За поједностављени однос претварача, излазни напон се може повезати са улазним напоном, радним циклусом и односом обртаја.

Репрезентативни однос се може изразити као:

Воут ≈ Вин × Д × (Нс / Нп)

где:

Воут=Излазни напон

Вин=Релевантан уклопни-улазни напон

Д=Радни циклус

Нс/Нп=Секундарни-према-однос примарних окрета

Стварна једначина зависи од топологије претварача и конфигурације кола.

Из тог разлога, произвођач трансформатора треба да зна топологију напајања пре него што одреди коначни однос завоја.

5. Мора се узети у обзир опсег улазног напона

Коришћење само номиналног улазног напона може довести до неодговарајућег дизајна трансформатора.

На пример, прекидачко напајање може да ради из:

300–400 В ДЦ

а не на једном фиксном напону.

Трансформатор мора исправно да ради у овом опсегу уз одржавање потребног излазног напона и избегавање прекомерног магнетног флукса.

Када развијате прилагођени трансформатор, обезбедите:

Минимални улазни напон

Називни улазни напон

Максимални улазни напон

Максимални радни циклус

Фреквенција пребацивања

Потребан излазни напон

Излазна струја

Однос обртаја треба проценити у односу на комплетан радни опсег, а не на једну номиналну вредност.

6. Излазни напон није увек једнак секундарном напону трансформатора

Ово је једна од најчешћих грешака у прорачунима односа обртаја трансформатора.

Претпоставимо да напајање захтева регулисани излаз од 12 В ДЦ.

То не значи нужно да секундарни намотај трансформатора треба једноставно да буде пројектован за 12 В.

Између трансформатора и коначног ДЦ излаза, коло може садржати:

Исправљачке диоде

Синхрони исправљање

Излазни индуктори

кондензатори

Коло за регулацију напона

ПЦБ проводници

Ове компоненте утичу на стварни напон који се испоручује на оптерећење.

Секундарни напон трансформатора стога треба одредити према комплетном струјном колу.

За прилагођени високофреквентни трансформатор, произвођач треба да добије стварне захтеве секундарне{0}}стране, а не само коначни ДЦ излазни напон.

7. Падови напона утичу на практичан однос окретаја

Идеалан трансформатор нема електричне губитке. Прави трансформатор ради.

Падови напона могу бити последица:

Отпор примарног намотаја

Отпор секундарног намотаја

Пад напона исправљача

Индуктивност цурења

Пребацивање{0}}губитка уређаја

Отпорност ПЦБ-а

Остали губици претварача

На пример, ако коначни излаз мора остати на 24 В под оптерећењем, трансформатор ће можда морати да обезбеди секундарни напон који компензује губитке напона у остатку кола.

Висина компензације зависи од дизајна напајања и услова оптерећења.

Стога, стварни однос обртаја треба утврдити након разматрања комплетне електричне путање.

8. Однос окрета и дизајн магнетног језгра

Однос навоја одређује однос напона између намотаја, али апсолутни број завоја такође мора бити компатибилан са магнетним језгром.

За високофреквентни трансформатор, на примарни завоји утичу:

Примењени напон

Фреквенција пребацивања

Максимални радни циклус

Површина попречног{0}}језгра језгра

Основни материјал

Максимална густина флукса

Пребацивање таласног облика

Премало примарних завоја може довести до прекомерног магнетног флукса и потенцијално довести језгро ка засићењу.

Превише завоја може повећати дужину намотаја, губитак бакра, индуктивност цурења и величину трансформатора.

Дакле, дизајн трансформатора захтева обоје:

Тачан однос обртаја

и

Тачан апсолутни број окрета.

Они су повезани, али нису исти параметар дизајна.

9. Однос окретаја такође одређује тренутни однос

Однос обртаја трансформатора је повезан са струјом и напоном.

За идеалан трансформатор:

Ип / Је=Нс / Нп

где:

Ип=Примарна струја

Је=Секундарна струја

Нп=Примарни окрети

Нс=Секундарни окрети

То значи да када се напон смањи, секундарна страна генерално носи већу струју за исту пренесену снагу.

Ово има директан утицај на дизајн намотаја трансформатора.

Произвођач мора изабрати одговарајуће димензије проводника и распоред намотаја према стварној струји.

За високо{0}}секундарне намотаје, дизајн може захтевати:

Већи проводници

Више паралелних жица

Одговарајући слојеви за намотавање

Специјални распореди намотаја

Стога, однос обртаја увек треба узети у обзир заједно са захтевима за снагу и струју.

10. Пример: Израчунавање односа обртаја за напајање

Размотрите поједностављено прекидачко напајање са:

ДЦ улаз: 320 В

Потребан излаз: 24 В

Топологија пребацивања: пола-мост

Приближан радни циклус: 50%

Једноставно поређење напона даје:

320 / 24 = 13.33

Међутим, било би погрешно одмах одредити однос трансформатора 13,33:1 без узимања у обзир операције полумоста.

Напон који се стварно примењује на примарни трансформатор, радни циклус, метода исправљања, губици напона и опсег регулације утичу на коначни дизајн.

Произвођач трансформатора би стога користио комплетну спецификацију напајања да одреди:

Одговарајуће језгро

Примарни окрети

Секундарни окрети

Однос окрета

Величина жице

Распоред намотаја

Изолациона структура

Очекивани пораст температуре

Због тога развој трансформатора по мери треба да се изводи заједно са стварним дизајном претварача.

11. Уобичајене грешке у израчунавању односа обртаја трансформатора

Грешка 1: Коришћење улазног напона ÷ излазног напона као коначног односа

Ово функционише као идеална почетна тачка, али није довољно за многе апликације за прекидачко напајање.

Грешка 2: Игнорисање топологије претварача

Прелазни, напредни, полу{0}}мост и пуни-мост претварачи имају различите односе напона и{2}}преноса енергије.

Грешка 3: Игнорисање радног циклуса

ПВМ контрола мења ефективни напон и енергију која се испоручује кроз трансформатор.

Грешка 4: збуњујући ДЦ излаз са секундарним напоном

Коначни регулисани једносмерни напон може се разликовати од потребног секундарног напона трансформатора због исправљања и других губитака у колу.

Грешка 5: Одабир односа окретаја без провере флукса језгра

Исправан однос напона и даље може довести до превелике густине флукса ако је апсолутни број примарних навоја пренизак.

Грешка 6: Игнорисање струје намотаја

Проводник намотаја мора бити способан да поднесе стварне РМС и вршне струје које генерише напајање.

12. Које информације треба да дате произвођачу трансформатора по мери?

Када тражите прилагођени трансформатор за напајање, пружање потпуних техничких информација помаже произвођачу да исправно процени дизајн.

За ОЕМ пројекте, ови параметри дају произвођачу високофреквентних трансформатора довољно информација да процени дизајн магнета и намотаја уместо да се ослања на непотпуне спецификације напона.

13. Када треба да радите са произвођачем трансформатора?

Стандардни трансформатор може бити прикладан када напон, снага, фреквенција, димензије и захтеви за монтажу већ одговарају постојећем дизајну.

За ОЕМ опрему, међутим, трансформатор ће можда морати да буде прилагођен стварном напајању.

Прилагођени произвођач трансформатора може проценити:

Избор магнетног језгра

Примарни и секундарни завоји

Структура намотаја

Избор жице

Изолација

Индуктивност цурења

Пораст температуре

Механичке димензије

Изводљивост производње

Ово је посебно важно када трансформатор мора да одговара специфичној штампаној плочици или да ради у оквиру дефинисаног опсега ефикасности и температуре.

Закључак

Израчунавање односа обртаја трансформатора почиње односом између примарног и секундарног напона:

Вп / Вс=Нп / Нс

Али овај идеалан однос је само почетна тачка за практичан трансформатор напајања.

За апликације за комутацију, коначни дизајн мора такође узети у обзир топологију претварача, радни циклус, опсег улазног напона, исправљање, губитке напона, фреквенцију пребацивања, магнетно језгро, густину флукса, струју намотаја и термичке услове.

За високофреквентни трансформатор, исправан однос навоја и апсолутни број завоја морају се развити заједно. Одговарајући дизајн треба да обезбеди потребну трансформацију напона уз задржавање магнетног флукса, губитака намотаја, пораста температуре и укупних димензија у оквиру захтева примене.

За ОЕМ и прилагођене пројекте напајања, испорука комплетних електричних и механичких спецификација произвођачу трансформатора је најпоузданији начин да се одреди одговарајући дизајн примарног и секундарног намотаја.

Кеи Такеаваис

Приликом израчунавања односа обртаја трансформатора, увек узмите у обзир:

• Примарни и секундарни напон
• Опсег улазног напона
• Топологија претварача
• Радни циклус
• Фреквенција пребацивања
• Метода исправљања
• Падови напона и губици кола
• Магнетно језгро и густина флукса
• Примарна и секундарна струја
• Захтеви за изолацију и топлоту

Однос обртаја успоставља основни напонски однос, али комплетан дизајн трансформатора одређује да ли ће компонента заиста поуздано радити у напајању.