Kako izračunati omjer okreta transformatora za aplikacije za napajanje

Omjer okretaja transformatora je osnovni parametar koji se koristi za određivanje naponskog odnosa između primarnog i sekundarnog namotaja. Za aplikacije za napajanje, međutim, izračunavanje ispravnog omjera okreta zahtijeva više od jednostavnog dijeljenja ulaznog napona sa izlaznim naponom.

U konvencionalnom transformatoru, omjer napona je direktno povezan s omjerom namotaja. Kod prekidačkog napajanja, konačni dizajn transformatora zavisi i od topologije pretvarača, frekvencije prebacivanja, radnog ciklusa, talasnog oblika, metode ispravljanja, magnetnog jezgra i opsega radnog napona.

Za inženjere i OEM kupce koji rade sa visokofrekventnim transformatorom ili transformatorom za prekidačko napajanje, razumevanje ovih odnosa može učiniti izbor transformatora i razvoj po meri efikasnijim.

1. Šta je omjer okreta transformatora?

Omjer navoja transformatora opisuje odnos između broja zavoja na primarnom namotu i broja zavoja na sekundarnom namotu.

Za idealan transformator:

Vp / Vs=Np / Ns

gdje:

Vp=Primarni napon

Vs=Sekundarni napon

Np=Primarni okreti

Ns=Sekundarni okret

Na primjer, ako je primarni napon 400 V, a potrebni sekundarni napon 40 V:

400 / 40 = 10

Osnovni omjer primarnih-prema-sekundarnih zavoja je stoga:

Np : Ns=10 : 1

Ovaj proračun daje osnovni odnos napona. On sam po sebi ne određuje konačni dizajn namotaja praktičnog transformatora napajanja.

2. Kako izračunati osnovni omjer okretaja

Najjednostavniji proračun se zasniva na primarnom i sekundarnom naponu.

Omjer okretaja=Primarni napon / Sekundarni napon

Na primjer, razmislite o transformatoru sa:

Primarni napon: 240 V

Sekundarni napon: 24 V

Osnovni omjer okreta je:

240 / 24 = 10

dakle:

Np : Ns=10 : 1

Ako primarni namotaj ima 200 zavoja, teoretski sekundarni namotaj bi sadržavao:

200 / 10=20 okreta

Ovo je prikladno kao idealan proračun transformatora.

Za stvarni transformator, proizvođač mora dalje procijeniti gubitke, radne uslove, magnetni tok, struju namotaja i specifično kolo napajanja.

3. Odnos primarnog-prema-sekundarnog okreta u prekidačkim izvorima napajanja

Preklopni transformator napajanja radi drugačije od konvencionalnog transformatora mrežne{0}}frekvencije.

Transformator je normalno pokretan komutiranim valnim oblikom koji generira poluvodičko sklopno kolo. Napon koji se primjenjuje na primarni namotaj stoga ovisi o topologiji napajanja i uvjetima prebacivanja.

Uobičajene topologije uključuju:

Flyback

Naprijed

Pritisni{0}}povuci

Pola{0}}most

Puni-most

Budući da ove topologije prenose energiju različito, odnos između ulaznog napona, izlaznog napona, radnog ciklusa i omjera okreta transformatora se također razlikuje.

Zbog toga je sledeća računica:

Ulazni napon / Izlazni napon

treba tretirati kao početnu tačku, a ne kao konačnu projektnu jednačinu za svako prekidačko napajanje.

4. Zašto radni ciklus utječe na omjer okretaja

U mnogim PWM izvorima napajanja, izlazni napon se kontrolira kroz radni ciklus prebacivanja.

Radni ciklus predstavlja postotak svakog perioda uključivanja tokom kojeg sklopni krug primjenjuje energiju na transformator.

Za pojednostavljeni odnos pretvarača, izlazni napon se može povezati sa ulaznim naponom, radnim ciklusom i omjerom okreta.

Reprezentativni odnos se može izraziti kao:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

gdje:

Vout=Izlazni napon

Vin=Relevantan uklopni-ulazni napon

D=Radni ciklus

Ns/Np=Sekundarni-o-odnos primarnih zavoja

Stvarna jednadžba ovisi o topologiji pretvarača i konfiguraciji kola.

Iz tog razloga, proizvođač transformatora mora znati topologiju napajanja prije određivanja konačnog omjera zavoja.

5. Mora se uzeti u obzir raspon ulaznog napona

Korištenje samo nominalnog ulaznog napona može dovesti do neodgovarajućeg dizajna transformatora.

Na primjer, prekidačko napajanje može raditi iz:

300–400 V DC

a ne na jednom fiksnom naponu.

Transformator mora ispravno raditi u ovom rasponu uz održavanje potrebnog izlaznog napona i izbjegavanje pretjeranog magnetnog fluksa.

Kada razvijate prilagođeni transformator, osigurajte:

Minimalni ulazni napon

Nominalni ulazni napon

Maksimalni ulazni napon

Maksimalni radni ciklus

Frekvencija prebacivanja

Potreban izlazni napon

Izlazna struja

Omjer okretaja treba procijeniti u odnosu na cijeli radni raspon, a ne jednu nominalnu vrijednost.

6. Izlazni napon nije uvijek jednak sekundarnom naponu transformatora

Ovo je jedna od najčešćih grešaka u proračunima omjera okreta transformatora.

Pretpostavimo da napajanje zahtijeva regulirani izlaz od 12 V DC.

To ne znači nužno da sekundarni namotaj transformatora treba jednostavno biti dizajniran za 12 V.

Između transformatora i konačnog DC izlaza, krug može sadržavati:

Ispravljačke diode

Sinhroni ispravljanje

Izlazni induktori

Kondenzatori

Kolo za regulaciju napona

PCB provodnici

Ove komponente utiču na stvarni napon koji se isporučuje na opterećenje.

Sekundarni napon transformatora stoga treba odrediti prema kompletnom strujnom krugu.

Za prilagođeni visokofrekventni transformator, proizvođač bi trebao dobiti stvarne zahtjeve sekundarne-strane, a ne samo konačni DC izlazni napon.

7. Padovi napona utiču na praktičan omjer okretaja

Idealan transformator nema električne gubitke. Pravi transformator radi.

Padovi napona mogu biti posljedica:

Otpor primarnog namotaja

Otpor sekundarnog namotaja

Pad napona ispravljača

Induktivnost curenja

Prebacivanje{0}}gubitka uređaja

Otpornost PCB-a

Ostali gubici pretvarača

Na primjer, ako konačni izlaz mora ostati na 24 V pod opterećenjem, transformator će možda morati osigurati sekundarni napon koji kompenzira gubitke napona u ostatku kola.

Visina kompenzacije zavisi od dizajna napajanja i uslova opterećenja.

Stoga, stvarni omjer okreta treba utvrditi nakon razmatranja kompletne električne putanje.

8. Omjer okretaja i dizajn magnetne jezgre

Omjer navoja određuje odnos napona između namotaja, ali apsolutni broj zavoja također mora biti kompatibilan s magnetnim jezgrom.

Za visokofrekventni transformator, na primarni zavoji utiču:

Primijenjeni napon

Frekvencija prebacivanja

Maksimalni radni ciklus

Površina poprečnog{0}}jezgra jezgra

Materijal jezgra

Maksimalna gustina protoka

Prebacivanje talasnog oblika

Premalo primarnih zavoja može rezultirati prekomjernim magnetskim fluksom i potencijalno dovesti jezgro prema zasićenju.

Previše zavoja može povećati dužinu namotaja, gubitak bakra, induktivnost curenja i veličinu transformatora.

Stoga, dizajn transformatora zahtijeva oboje:

Ispravan omjer okreta

i

Tačan apsolutni broj okreta.

Oni su povezani, ali nisu isti parametar dizajna.

9. Omjer okretaja također određuje trenutni odnos

Omjer okretaja transformatora je povezan sa strujom i naponom.

Za idealan transformator:

Ip / Je=Ns / Np

gdje:

Ip=Primarna struja

Je=Sekundarna struja

Np=Primarni okreti

Ns=Sekundarni okret

To znači da kada se napon smanji, sekundarna strana općenito nosi veću struju za istu prenesenu snagu.

Ovo direktno utiče na dizajn namotaja transformatora.

Proizvođač mora odabrati odgovarajuće dimenzije vodiča i raspored namotaja prema stvarnoj struji.

Za visoko{0}}sekundarne namote, dizajn može zahtijevati:

Veći provodnici

Više paralelnih žica

Odgovarajući slojevi za namotavanje

Specijalni rasporedi namotaja

Stoga, omjer okretaja uvijek treba uzeti u obzir zajedno sa zahtjevima snage i struje.

10. Primjer: Izračunavanje omjera okretaja za napajanje

Razmotrite pojednostavljeno prekidačko napajanje sa:

DC ulaz: 320 V

Potreban izlaz: 24 V

Topologija prebacivanja: pola-most

Približan radni ciklus: 50%

Jednostavno poređenje napona daje:

320 / 24 = 13.33

Međutim, bilo bi pogrešno odmah specificirati omjer transformatora 13,33:1 bez uzimanja u obzir rada polu{2}}mosta.

Napon koji je stvarno primijenjen na primarnu transformatorsku jedinicu, radni ciklus, metoda ispravljanja, gubici napona i raspon regulacije utiču na konačni dizajn.

Proizvođač transformatora bi stoga koristio kompletnu specifikaciju napajanja da odredi:

Odgovarajuće jezgro

Primarni okreti

Sekundarni okreti

Omjer okretaja

Veličina žice

Raspored namotaja

Izolaciona struktura

Očekivani porast temperature

Zbog toga bi razvoj transformatora po narudžbi trebao biti izveden zajedno sa stvarnim dizajnom pretvarača.

11. Uobičajene greške u proračunu omjera okretaja transformatora

Greška 1: Korištenje ulaznog napona ÷ izlaznog napona kao konačnog omjera

Ovo radi kao idealna početna tačka, ali nije dovoljno za mnoge aplikacije prekidačkog napajanja.

Greška 2: Ignoriranje topologije pretvarača

Flyback, naprijed, polu-most i puni-most pretvarači imaju različite odnose napona i energije-prijenosa.

Greška 3: Ignoriranje radnog ciklusa

PWM kontrola mijenja efektivni napon i energiju koja se isporučuje kroz transformator.

Greška 4: zbunjujući DC izlaz sa sekundarnim naponom

Konačni regulirani jednosmjerni napon može se razlikovati od potrebnog sekundarnog napona transformatora zbog ispravljanja i drugih gubitaka u krugu.

Greška 5: Odabir omjera okretaja bez provjere jezgrenog toka

Ispravan omjer napona i dalje može rezultirati prekomjernom gustinom fluksa ako je apsolutni broj primarnih zavoja prenizak.

Greška 6: Ignoriranje struje namotaja

Provodnik namotaja mora biti sposoban da podnese stvarne RMS i vršne struje koje generiše napajanje.

12. Koje informacije trebate dati proizvođaču transformatora po narudžbi?

Kada tražite prilagođeni transformator za napajanje, pružanje potpunih tehničkih informacija pomaže proizvođaču da ispravno ocijeni dizajn.

Za OEM projekte, ovi parametri daju proizvođaču visokofrekventnih transformatora dovoljno informacija da procijene dizajn magneta i namota umjesto da se oslanjaju na nepotpune specifikacije napona.

13. Kada biste trebali raditi s proizvođačem transformatora?

Standardni transformator može biti prikladan kada napon, snaga, frekvencija, dimenzije i zahtjevi za montažu već odgovaraju postojećem dizajnu.

Za OEM opremu, međutim, transformator će možda morati biti prilagođen stvarnom napajanju.

Prilagođeni proizvođač transformatora može procijeniti:

Izbor magnetnog jezgra

Primarni i sekundarni zavoji

Struktura namotaja

Izbor žice

Izolacija

Induktivnost curenja

Porast temperature

Mehaničke dimenzije

Izvodljivost proizvodnje

Ovo je posebno važno kada transformator mora da stane na određeni PCB ili da radi u okviru definisanog opsega efikasnosti i temperature.

Zaključak

Izračunavanje omjera okreta transformatora počinje odnosom između primarnog i sekundarnog napona:

Vp / Vs=Np / Ns

Ali ovaj idealan odnos je samo početna tačka za praktičan transformator napajanja.

Za aplikacije komutacije, konačni dizajn mora također uzeti u obzir topologiju pretvarača, radni ciklus, opseg ulaznog napona, ispravljanje, gubitke napona, frekvenciju prebacivanja, magnetno jezgro, gustinu fluksa, struju namotaja i termičke uslove.

Za visokofrekventni transformator, ispravan omjer navoja i apsolutni broj zavoja moraju se razviti zajedno. Odgovarajući dizajn treba da obezbedi potrebnu transformaciju napona uz zadržavanje magnetnog fluksa, gubitaka u namotaju, porasta temperature i ukupnih dimenzija unutar zahteva primene.

Za OEM i prilagođene projekte napajanja, isporuka kompletnih električnih i mehaničkih specifikacija proizvođaču transformatora je najpouzdaniji način da se odredi odgovarajući dizajn primarnog i sekundarnog namota.

Key Takeaways

Prilikom izračunavanja omjera okreta transformatora, uvijek uzmite u obzir:

• Primarni i sekundarni napon
• Opseg ulaznog napona
• Topologija pretvarača
• Radni ciklus
• Frekvencija prebacivanja
• Metoda ispravljanja
• Padovi napona i gubici kola
• Magnetno jezgro i gustina fluksa
• Primarna i sekundarna struja
• Izolacijski i toplinski zahtjevi

Odnos okretaja uspostavlja osnovni odnos napona, ali kompletan dizajn transformatora određuje da li će komponenta zaista pouzdano raditi u napajanju.