Kako izračunati razmerje obratov transformatorja za aplikacije za napajanje

Razmerje obratov transformatorja je temeljni parameter, ki se uporablja za določanje napetostnega razmerja med primarnim in sekundarnim navitjem. Pri aplikacijah za napajanje pa izračun pravilnega razmerja obratov zahteva več kot preprosto deljenje vhodne napetosti z izhodno napetostjo.

V običajnem transformatorju je razmerje napetosti neposredno povezano z razmerjem obratov navitja. Pri stikalnem napajalniku je končna zasnova transformatorja odvisna tudi od topologije pretvornika, frekvence preklopa, delovnega cikla, valovne oblike, metode popravljanja, magnetnega jedra in območja delovne napetosti.

Za inženirje in kupce proizvajalcev originalne opreme, ki delajo z visokofrekvenčnim transformatorjem ali preklopnim napajalnim transformatorjem, lahko razumevanje teh odnosov naredi izbiro transformatorja in razvoj po meri učinkovitejša.

1. Kaj je razmerje obratov transformatorja?

Razmerje obratov transformatorja opisuje razmerje med številom ovojev na primarnem navitju in številom ovojev na sekundarnem navitju.

Za idealen transformator:

Vp/Vs=Np/Ns

kje:

Vp=Primarna napetost

Vs=sekundarna napetost

Np=Primarni zavoji

Ns=Sekundarni zavoji

Na primer, če je primarna napetost 400 V in zahtevana sekundarna napetost 40 V:

400 / 40 = 10

Osnovno razmerje med-in-sekundarnimi obrati je torej:

Np : Ns=10 : 1

Ta izračun zagotavlja osnovno napetostno razmerje. Samo po sebi ne določa končne zasnove navitja praktičnega napajalnega transformatorja.

2. Kako izračunati osnovno razmerje obratov

Najenostavnejši izračun temelji na primarni in sekundarni napetosti.

Razmerje obratov=primarna napetost/sekundarna napetost

Na primer, razmislite o transformatorju z:

Primarna napetost: 240 V

Sekundarna napetost: 24 V

Osnovno razmerje obratov je:

240 / 24 = 10

Zato:

Np : Ns=10 : 1

Če primarno navitje vsebuje 200 ovojev, bi teoretično sekundarno navitje vsebovalo:

200 / 10=20 obratov

To je primerno kot izračun idealnega transformatorja.

Za dejanski transformator mora proizvajalec dodatno oceniti izgube, delovne pogoje, magnetni pretok, tok navitja in specifično napajalno vezje.

3. Razmerje obračanja primarnega-do-sekundarnega napajalnika

Preklopni napajalni transformator deluje drugače kot običajni omrežni{0}}frekvenčni transformator.

Transformator običajno poganja preklopna valovna oblika, ki jo ustvari polprevodniško preklopno vezje. Napetost, ki se uporablja za primarno navitje, je torej odvisna od topologije napajanja in preklopnih pogojev.

Pogoste topologije vključujejo:

Prelet nazaj

Naprej

Potisni{0}}povleci

Pol{0}}most

Poln-most

Ker te topologije različno prenašajo energijo, se razlikuje tudi razmerje med vhodno napetostjo, izhodno napetostjo, delovnim ciklom in razmerjem obratov transformatorja.

Zato naslednji izračun:

Vhodna napetost / izhodna napetost

je treba obravnavati kot izhodišče in ne končno konstrukcijsko enačbo za vsak stikalni napajalnik.

4. Zakaj delovni cikel vpliva na razmerje obratov

V mnogih napajalnikih s PWM se izhodna napetost krmili s preklopnim delovnim ciklom.

Obratovalni cikel predstavlja odstotek vsakega preklopnega obdobja, med katerim preklopno vezje dovaja energijo transformatorju.

Za poenostavljeno razmerje pretvornika je lahko izhodna napetost povezana z vhodno napetostjo, delovnim ciklom in razmerjem obratov.

Reprezentativno razmerje je mogoče izraziti kot:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

kje:

Vout=Izhodna napetost

Vin=Ustrezna vhodna napetost preklopne-stopnje

D=Delovni cikel

Ns/Np=razmerje obračanja sekundarnega-proti-primarnega

Dejanska enačba je odvisna od topologije pretvornika in konfiguracije vezja.

Iz tega razloga mora proizvajalec transformatorja poznati topologijo napajanja, preden določi končno razmerje obratov.

5. Upoštevati je treba obseg vhodne napetosti

Uporaba samo nazivne vhodne napetosti lahko povzroči neustrezno zasnovo transformatorja.

Na primer, stikalni napajalnik lahko deluje iz:

300–400 V DC

namesto pri eni fiksni napetosti.

Transformator mora pravilno delovati v tem razponu, hkrati pa ohranja zahtevano izhodno napetost in se izogiba čezmernemu magnetnemu toku.

Pri razvoju transformatorja po meri zagotovite:

Najmanjša vhodna napetost

Nazivna vhodna napetost

Največja vhodna napetost

Največji delovni cikel

Preklopna frekvenca

Zahtevana izhodna napetost

Izhodni tok

Razmerje obratov je treba ovrednotiti glede na celotno delovno območje in ne glede na eno nazivno vrednost.

6. Izhodna napetost ni vedno enaka sekundarni napetosti transformatorja

To je ena najpogostejših napak pri izračunu razmerja obratov transformatorja.

Recimo, da napajalnik potrebuje reguliran izhod 12 V DC.

To ne pomeni nujno, da mora biti sekundarno navitje transformatorja preprosto zasnovano za 12 V.

Med transformatorjem in končnim enosmernim izhodom lahko tokokrog vsebuje:

Usmerniške diode

Sinhrono popravljanje

Izhodni induktorji

Kondenzatorji

Vezje za regulacijo napetosti

PCB prevodniki

Te komponente vplivajo na dejansko napetost, dobavljeno bremenu.

Sekundarno napetost transformatorja je zato treba določiti glede na celotno napajalno vezje.

Za visokofrekvenčni transformator po meri bi moral proizvajalec prejeti dejanske zahteve na-strani sekundarne strani in ne le končne enosmerne izhodne napetosti.

7. Padci napetosti vplivajo na praktično razmerje obratov

Idealen transformator nima električnih izgub. Pravi transformator to počne.

Padci napetosti so lahko posledica:

Upor primarnega navitja

Upor sekundarnega navitja

Padec napetosti usmernika

Induktivnost puščanja

Izgube-preklopne naprave

PCB odpornost

Druge izgube pretvornika

Na primer, če mora končni izhod ostati pri 24 V pod obremenitvijo, bo transformator morda moral zagotoviti sekundarno napetost, ki kompenzira izgube napetosti v preostalem vezju.

Višina kompenzacije je odvisna od zasnove napajanja in pogojev obremenitve.

Zato je treba dejansko razmerje obratov določiti po upoštevanju celotne električne poti.

8. Razmerje vrtljajev in zasnova magnetnega jedra

Razmerje ovojev določa napetostno razmerje med navitji, vendar mora biti tudi absolutno število ovojev združljivo z magnetnim jedrom.

Pri visokofrekvenčnem transformatorju na primarne zavoje vpliva:

Uporabljena napetost

Preklopna frekvenca

Največji delovni cikel

Površina prečnega-prereza jedra

Jedro materiala

Največja gostota pretoka

Preklop valovne oblike

Premajhno število primarnih ovojev lahko povzroči prevelik magnetni tok in potencialno požene jedro proti nasičenju.

Preveč obratov lahko poveča dolžino navitja, izgubo bakra, induktivnost uhajanja in velikost transformatorja.

Zato zasnova transformatorja zahteva oboje:

Pravilno razmerje obratov

in

Pravilno absolutno število obratov.

Ti so povezani, vendar niso enaki parametri zasnove.

9. Razmerje obratov določa tudi trenutno razmerje

Razmerje obratov transformatorja je povezano s tokom in napetostjo.

Za idealen transformator:

Ip / Je=Ns / Np

kje:

Ip=Primarni tok

Je=sekundarni tok

Np=Primarni zavoji

Ns=Sekundarni zavoji

To pomeni, da ko se napetost zmanjša, sekundarna stran na splošno prenaša višji tok za enako preneseno moč.

To neposredno vpliva na zasnovo navitja transformatorja.

Proizvajalec mora izbrati ustrezne dimenzije vodnika in razporeditev navitij glede na dejanski tok.

Za visoko{0}}tokovne sekundarne navitje lahko konstrukcija zahteva:

Večji vodniki

Več vzporednih žic

Ustrezne plasti navijanja

Posebna ureditev navijanja

Zato je treba razmerje obratov vedno upoštevati skupaj z zahtevami po moči in toku.

10. Primer: Izračun obratnega razmerja za napajalnik

Razmislite o poenostavljenem stikalnem napajalniku z:

DC vhod: 320 V

Potreben izhod: 24 V

Preklopna topologija: pol-most

Približen delovni cikel: 50 %

Preprosta primerjava napetosti daje:

320 / 24 = 13.33

Vendar pa bi bilo napačno takoj določiti transformatorsko razmerje 13,33:1 brez upoštevanja pol-delovanja mostu.

Napetost, ki se dejansko uporablja na primarnem transformatorju, delovni cikel, metoda popravljanja, napetostne izgube in območje regulacije, vplivajo na končno zasnovo.

Proizvajalec transformatorja bi torej uporabil celotno specifikacijo oskrbe z električno energijo, da bi določil:

Ustrezno jedro

Primarni zavoji

Sekundarni zavoji

Razmerje obratov

Velikost žice

Razporeditev navijanja

Izolacijska struktura

Pričakovan dvig temperature

Zato je treba razvoj transformatorja po meri izvajati skupaj z dejansko zasnovo pretvornika.

11. Pogoste napake pri izračunu razmerja obratov transformatorja

Napaka 1: Uporaba vhodne napetosti ÷ izhodne napetosti kot končnega razmerja

To deluje kot idealno izhodišče, vendar ne zadostuje za številne aplikacije stikalnega napajanja.

Napaka 2: Ignoriranje topologije pretvornika

Povratni pretvorniki, pretvorniki naprej, polovični-most in polni{1}}mostni pretvorniki imajo različna razmerja prenosa-napetosti in energije.

Napaka 3: Ignoriranje delovnega cikla

Krmiljenje PWM spremeni efektivno napetost in energijo, ki se prenaša skozi transformator.

Napaka 4: Zamenjajte enosmerni izhod s sekundarno napetostjo

Končna regulirana enosmerna napetost se lahko razlikuje od zahtevane sekundarne napetosti transformatorja zaradi usmerjanja in drugih izgub v vezju.

Napaka 5: Izbira razmerja vrtljajev brez preverjanja pretoka jedra

Pravilno napetostno razmerje lahko še vedno povzroči prekomerno gostoto pretoka, če je absolutno število primarnih ovojev prenizko.

Napaka 6: Ignoriranje toka navitja

Prevodnik za navijanje mora biti sposoben prenesti dejanske RMS in konične tokove, ki jih ustvari vir električne energije.

12. Katere informacije morate dati proizvajalcu transformatorjev po meri?

Ko zahtevate transformator po meri za napajalnik, zagotavljanje popolnih tehničnih informacij proizvajalcu pomaga pravilno oceniti načrt.

Pri projektih OEM ti parametri dajejo proizvajalcu visokofrekvenčnega transformatorja dovolj informacij za oceno magnetne zasnove in zasnove navitja, namesto da se zanašajo na nepopolne napetostne specifikacije.

13. Kdaj bi morali sodelovati s proizvajalcem transformatorjev?

Standardni transformator je lahko primeren, če se napetost, moč, frekvenca, dimenzije in zahteve glede namestitve že ujemajo z obstoječo zasnovo.

Pri opremi OEM pa bo transformator morda treba prilagoditi glede na dejansko napajanje.

Proizvajalec transformatorjev po meri lahko oceni:

Izbira magnetnega jedra

Primarni in sekundarni zavoji

Struktura navijanja

Izbira žice

Izolacija

Induktivnost puščanja

Dvig temperature

Mehanske dimenzije

Izvedljivost proizvodnje

To je še posebej pomembno, kadar mora transformator ustrezati določenemu tiskanemu vezju ali delovati v določenem območju učinkovitosti in temperature.

Zaključek

Izračun razmerja obratov transformatorja se začne z razmerjem med primarno in sekundarno napetostjo:

Vp/Vs=Np/Ns

Toda to idealno razmerje je le izhodišče za praktičen napajalni transformator.

Za preklopne aplikacije mora končna zasnova upoštevati tudi topologijo pretvornika, delovni cikel, območje vhodne napetosti, usmerjanje, napetostne izgube, preklopno frekvenco, magnetno jedro, gostoto pretoka, tok navitja in toplotne pogoje.

Za visokofrekvenčni transformator je treba skupaj razviti pravilno razmerje ovojev in absolutno število ovojev. Ustrezna zasnova mora zagotavljati zahtevano transformacijo napetosti, hkrati pa ohraniti magnetni pretok, izgube v navitju, dvig temperature in splošne dimenzije znotraj zahtev uporabe.

Za OEM in projekte napajalnikov po meri je dobava popolnih električnih in mehanskih specifikacij proizvajalcu transformatorja najbolj zanesljiv način za določitev ustrezne zasnove primarnega in sekundarnega navitja.

Ključni zaključki

Pri izračunu razmerja obratov transformatorja vedno upoštevajte:

• Primarna in sekundarna napetost
• Razpon vhodne napetosti
• Topologija pretvornika
• Delovni cikel
• Preklopna frekvenca
• Metoda popravljanja
• Padci napetosti in izgube tokokroga
• Magnetno jedro in gostota pretoka
• Primarni in sekundarni tok
• Izolacijske in toplotne zahteve

Razmerje obratov določa osnovno napetostno razmerje, vendar celotna zasnova transformatorja določa, ali bo komponenta dejansko delovala zanesljivo v napajalniku.