La relació de voltes del transformador és un paràmetre fonamental que s'utilitza per determinar la relació de tensió entre els bobinatges primaris i secundaris. Tanmateix, per a aplicacions d'alimentació, calcular la relació de girs correcta requereix més que dividir la tensió d'entrada per la tensió de sortida.
En un transformador convencional, la relació de tensió està directament relacionada amb la relació de voltes del bobinat. En una font d'alimentació de commutació, el disseny final del transformador també depèn de la topologia del convertidor, la freqüència de commutació, el cicle de treball, la forma d'ona, el mètode de rectificació, el nucli magnètic i el rang de tensió de funcionament.
Per als enginyers i compradors OEM que treballen amb un transformador d'alta freqüència o un transformador d'alimentació de commutació, entendre aquestes relacions pot fer que la selecció del transformador i el desenvolupament personalitzat siguin més eficients.
1. Què és la relació de girs del transformador?
La relació de voltes del transformador descriu la relació entre el nombre de voltes del bobinatge primari i el nombre de voltes del bobinatge secundari.
Per a un transformador ideal:
Vp/Vs=Np/Ns
On:
Vp=Tensió primària
Vs=Tensió secundària
Np=Torns primaris
Ns=girs secundaris
Per exemple, si la tensió primària és de 400 V i la tensió secundària necessària és de 40 V:
400 / 40 = 10
Per tant, la relació bàsica de girs-a-secundaris és:
Np : Ns=10 : 1
Aquest càlcul proporciona la relació de tensió bàsica. No determina, per si mateix, el disseny final del bobinat d'un transformador pràctic d'alimentació.
2. Com calcular la relació bàsica de girs
El càlcul més senzill es basa en la tensió primària i secundària.
Relació de girs=Tensió primària/Tensió secundària
Per exemple, considereu un transformador amb:
Tensió primària: 240 V
Tensió secundària: 24 V
La relació de girs bàsica és:
240 / 24 = 10
Per tant:
Np : Ns=10 : 1
Si el bobinatge primari conté 200 espires, el bobinatge secundari teòric contindria:
200 / 10=20 voltes
Això és adequat com a càlcul de transformador ideal.
Per a un transformador real, el fabricant ha d'avaluar més les pèrdues, les condicions de funcionament, el flux magnètic, el corrent de bobinat i el circuit d'alimentació específic.
3. Relació de girs primari-a-secundària en fonts d'alimentació de commutació
Un transformador d'alimentació de commutació funciona de manera diferent d'un transformador de freqüència{0}de la xarxa convencional.
El transformador és accionat normalment per una forma d'ona commutada generada per un circuit de commutació de semiconductors. Per tant, la tensió aplicada al bobinatge primari depèn de la topologia de la font d'alimentació i de les condicions de commutació.
Les topologies comunes inclouen:
Flyback
Endavant
Empènyer-tirar
Mig-pont
Pont-complet
Com que aquestes topologies transfereixen energia de manera diferent, la relació entre la tensió d'entrada, la tensió de sortida, el cicle de treball i la relació de girs del transformador també és diferent.
És per això que el següent càlcul:
Tensió d'entrada / voltatge de sortida
s'ha de tractar com un punt de partida en lloc de l'equació de disseny final per a cada font d'alimentació commutada.
4. Per què el cicle de treball afecta la relació de girs
En moltes fonts d'alimentació PWM, la tensió de sortida es controla mitjançant el cicle de treball de commutació.
El cicle de treball representa el percentatge de cada període de commutació durant el qual el circuit de commutació aplica energia al transformador.
Per a una relació de convertidor simplificada, la tensió de sortida es pot relacionar amb la tensió d'entrada, el cicle de treball i la relació de girs.
Una relació representativa es pot expressar com:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
On:
Vout=Tensió de sortida
Vin=Tensió d'entrada de l'etapa de commutació rellevant-
D=Cicle de treball
Ns/Np=Relació de girs secundari-a-primari
L'equació real depèn de la topologia del convertidor i de la configuració del circuit.
Per aquest motiu, un fabricant de transformadors ha de conèixer la topologia de la font d'alimentació abans de determinar la relació final de voltes.
5. S'ha de tenir en compte el rang de voltatge d'entrada
Utilitzar només la tensió d'entrada nominal pot conduir a un disseny de transformador inadequat.
Per exemple, una font d'alimentació commutada pot funcionar des de:
300–400 V CC
en lloc d'una tensió fixa.
El transformador ha de funcionar correctament en aquest rang mantenint la tensió de sortida requerida i evitant un flux magnètic excessiu.
Quan desenvolupeu un transformador personalitzat, proporcioneu:
Tensió d'entrada mínima
Tensió nominal d'entrada
Tensió d'entrada màxima
Cicle de treball màxim
Freqüència de commutació
Tensió de sortida requerida
Corrent de sortida
La relació de girs s'ha d'avaluar en comparació amb el rang de funcionament complet en lloc d'un valor nominal.
6. La tensió de sortida no sempre és igual a la tensió secundària del transformador
Aquest és un dels errors més comuns en els càlculs de la relació de girs del transformador.
Suposem que una font d'alimentació requereix una sortida regulada de 12 V CC.
No vol dir necessàriament que el bobinatge secundari del transformador s'hagi de dissenyar simplement per a 12 V.
Entre el transformador i la sortida final de CC, el circuit pot contenir:
Díodes rectificadors
Rectificació síncrona
Inductors de sortida
Condensadors
Circuit de regulació de tensió
conductors de PCB
Aquests components influeixen en la tensió real subministrada a la càrrega.
Per tant, la tensió secundària del transformador s'ha de determinar segons el circuit complet d'alimentació.
Per a un transformador d'alta freqüència personalitzat, el fabricant hauria de rebre els requisits reals del costat secundari-en lloc de només la tensió de sortida de CC final.
7. Les caigudes de tensió afecten la relació pràctica de girs
Un transformador ideal no té pèrdues elèctriques. Un autèntic transformador ho fa.
Les caigudes de tensió poden derivar de:
Resistència de bobinatge primari
Resistència del bobinat secundari
Caiguda de tensió del rectificador
Inductància de fuga
Canvi de-pèrdues de dispositiu
Resistència de PCB
Altres pèrdues del convertidor
Per exemple, si la sortida final ha de romandre a 24 V sota càrrega, és possible que el transformador hagi de proporcionar una tensió secundària que compensi les pèrdues de tensió a la resta del circuit.
La quantitat de compensació depèn del disseny de la font d'alimentació i de les condicions de càrrega.
Per tant, la relació de girs real s'hauria d'establir després de considerar el recorregut elèctric complet.
8. Relació de girs i disseny del nucli magnètic
La relació de voltes determina la relació de voltatge entre els bobinatges, però el nombre absolut de voltes també ha de ser compatible amb el nucli magnètic.
Per a un transformador d'alta freqüència, les espires primàries estan influenciades per:
Tensió aplicada
Freqüència de commutació
Cicle de treball màxim
Àrea de la-secció transversal del nucli
Material del nucli
Densitat de flux màxima
Forma d'ona de commutació
Massa pocs girs primaris poden provocar un flux magnètic excessiu i potencialment conduir el nucli cap a la saturació.
Massa voltes poden augmentar la longitud del bobinat, la pèrdua de coure, la inductància de fuites i la mida del transformador.
Per tant, el disseny del transformador requereix tots dos:
La relació de girs correcta
i
El nombre absolut correcte de voltes.
Aquests estan relacionats, però no són el mateix paràmetre de disseny.
9. La relació de girs també determina la relació actual
La relació de voltes del transformador està relacionada amb el corrent i la tensió.
Per a un transformador ideal:
Ip/Is=Ns/Np
On:
Ip=Corrent primari
És=corrent secundari
Np=Torns primaris
Ns=girs secundaris
Això vol dir que quan es redueix la tensió, el costat secundari generalment porta un corrent més alt per a la mateixa potència transferida.
Això té un efecte directe en el disseny del bobinat del transformador.
El fabricant ha de seleccionar les dimensions del conductor i la disposició dels bobinatges adequats segons el corrent real.
Per a bobinatges secundaris de corrent alta-, el disseny pot requerir:
Conductors més grans
Múltiples cables paral·lels
Capes de bobinatge adequades
Disposicions especials de bobinatge
Per tant, la relació de girs sempre s'ha de considerar juntament amb els requisits de potència i corrent.
10. Exemple: Càlcul de la relació de girs per a una font d'alimentació
Penseu en una font d'alimentació de commutació simplificada amb:
Entrada DC: 320 V
Sortida necessària: 24 V
Topologia de commutació: mig-pont
Cicle de treball aproximat: 50%
Una simple comparació de voltatge dóna:
320 / 24 = 13.33
Tanmateix, seria incorrecte especificar immediatament una relació de transformador de 13,33:1 sense tenir en compte l'operació de mig-pont.
La tensió aplicada realment al transformador primari, el cicle de treball, el mètode de rectificació, les pèrdues de tensió i el rang de regulació afecten el disseny final.
Per tant, el fabricant del transformador utilitzaria l'especificació completa de la font d'alimentació per determinar:
Nucli adequat
Torns de primària
Torns secundaris
Relació de girs
Mida del cable
Disposició sinuosa
Estructura d'aïllament
Augment de temperatura previst
És per això que el desenvolupament personalitzat del transformador s'ha de realitzar juntament amb el disseny del convertidor real.
11. Errors comuns de càlcul de la relació de girs del transformador
Error 1: utilitzant la tensió d'entrada ÷ la tensió de sortida com a relació final
Això funciona com un punt de partida ideal, però no és suficient per a moltes aplicacions d'alimentació de commutació.
Error 2: ignorar la topologia del convertidor
Els convertidors de retrocés, endavant, mig-pont i-pont complet tenen diferents relacions de transferència de voltatge i energia-.
Error 3: ignorar el cicle de treball
El control PWM canvia la tensió efectiva i l'energia subministrada a través del transformador.
Error 4: confusió de la sortida de CC amb la tensió secundària
La tensió de CC regulada final pot diferir de la tensió secundària requerida del transformador a causa de la rectificació i altres pèrdues del circuit.
Error 5: seleccionar la relació de girs sense comprovar el flux del nucli
Una relació de tensió correcta encara pot donar lloc a una densitat de flux excessiva si el nombre absolut de voltes primàries és massa baix.
Error 6: ignorar el corrent de bobinatge
El conductor de la bobina ha de ser capaç de gestionar els corrents RMS reals i pics generats per la font d'alimentació.
12. Quina informació hauríeu de donar a un fabricant de transformadors personalitzats?
Quan es sol·licita un transformador personalitzat per a una font d'alimentació, proporcionar informació tècnica completa ajuda el fabricant a avaluar correctament el disseny.
| Paràmetre | Informació recomanada |
|---|---|
| Aplicació | Font d'alimentació commutada / convertidor / carregador / equips industrials |
| Tensió d'entrada | Mínim / nominal / màxim |
| Tensió de sortida | Tensió de sortida requerida |
| Corrent de sortida | Valorat / màxim |
| Poder | Potència nominal |
| Topologia | Volar enrere / endavant / empeny-tirar / mig-pont /-pont complet |
| Freqüència de commutació | Freqüència o rang de funcionament |
| Cicle de treball | Interval de funcionament |
| Rectificació | Díode / síncron / altre |
| Aïllament | Tensió d'aïllament requerida |
| Temperatura de funcionament | Temperatura ambient i màxima |
| Dimensions | Màxim espai disponible |
| Muntatge | PCB /-forat passant / altre |
| Quantitat | Prototip / lot petit / producció en massa |
Per als projectes OEM, aquests paràmetres donen a un fabricant de transformadors d'alta freqüència suficient informació per avaluar el disseny magnètic i de bobinatge en lloc de confiar en especificacions de tensió incompletes.
13. Quan hauríeu de treballar amb un fabricant de transformadors?
Un transformador estàndard pot ser adequat quan la tensió, la potència, la freqüència, les dimensions i els requisits de muntatge ja coincideixen amb un disseny existent.
Tanmateix, per als equips OEM, és possible que el transformador s'hagi de personalitzar al voltant de la font d'alimentació real.
Un fabricant de transformadors personalitzats pot avaluar:
Selecció de nucli magnètic
Torns primaris i secundaris
Estructura sinuosa
Selecció de fils
Aïllament
Inductància de fuga
Pujada de la temperatura
Dimensions mecàniques
Viabilitat de la producció
Això és especialment important quan el transformador ha d'adaptar-se a un PCB específic o funcionar dins d'un rang d'eficiència i temperatura definits.
Conclusió
El càlcul d'una relació de voltes del transformador comença amb la relació entre la tensió primària i secundària:
Vp/Vs=Np/Ns
Però aquesta relació ideal és només el punt de partida per a un pràctic transformador d'alimentació.
Per a aplicacions de commutació, el disseny final també ha de tenir en compte la topologia del convertidor, el cicle de treball, el rang de voltatge d'entrada, la rectificació, les pèrdues de tensió, la freqüència de commutació, el nucli magnètic, la densitat de flux, el corrent del bobinat i les condicions tèrmiques.
Per a un transformador d'alta freqüència, s'han de desenvolupar conjuntament la relació de voltes correcta i el nombre absolut de voltes. Un disseny adequat ha de proporcionar la transformació de voltatge necessària alhora que manté el flux magnètic, les pèrdues de bobinat, l'augment de temperatura i les dimensions generals dins dels requisits de l'aplicació.
Per a projectes d'alimentació OEM i personalitzats, el subministrament d'especificacions elèctriques i mecàniques completes al fabricant del transformador és la forma més fiable de determinar el disseny adequat de bobinatge primari i secundari.
Aportacions clau
Quan calculeu la relació de voltes del transformador, tingueu sempre en compte:
- Tensió primària i secundària
- Interval de voltatge d'entrada
- Topologia del convertidor
- Cicle de treball
- Freqüència de commutació
- Mètode de rectificació
- Caigudes de tensió i pèrdues de circuit
- Nucli magnètic i densitat de flux
- Corrent primari i secundari
- Aïllament i requisits tèrmics
La relació de voltes estableix la relació de tensió bàsica, però el disseny complet del transformador determina si el component funcionarà de manera fiable a la font d'alimentació.