Kako izračunati omjer zavoja transformatora za aplikacije napajanja

Omjer zavoja transformatora temeljni je parametar koji se koristi za određivanje odnosa napona između primarnog i sekundarnog namota. Za aplikacije napajanja, međutim, izračunavanje ispravnog omjera zavoja zahtijeva više od jednostavnog dijeljenja ulaznog napona s izlaznim naponom.

U konvencionalnom transformatoru, omjer napona izravno je povezan s omjerom zavoja namota. U sklopnom napajanju, konačni dizajn transformatora također ovisi o topologiji pretvarača, frekvenciji sklopke, radnom ciklusu, valnom obliku, metodi ispravljanja, magnetskoj jezgri i rasponu radnog napona.

Za inženjere i OEM kupce koji rade s visokofrekventnim transformatorom ili sklopnim transformatorom napajanja, razumijevanje ovih odnosa može učiniti odabir transformatora i prilagođeni razvoj učinkovitijim.

1. Što je omjer zavoja transformatora?

Omjer zavoja 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

U odnosu na=sekundarni napon

Np=Primarni okreće

Ns=Sekundarni okreti

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

400 / 40 = 10

Osnovni omjer okretaja-prema-sekundaru je stoga:

Np : Ns=10 : 1

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

2. Kako izračunati osnovni omjer okretaja

Najjednostavniji proračun se temelji na primarnom i sekundarnom naponu.

Omjer okretaja=primarni napon / sekundarni napon

Na primjer, razmotrite transformator sa:

Primarni napon: 240 V

Sekundarni napon: 24 V

Osnovni omjer okreta je:

240 / 24 = 10

Stoga:

Np : Ns=10 : 1

Ako primarni namot sadrži 200 zavoja, teoretski sekundarni namot bi sadržavao:

200 / 10=20 okretaja

Ovo je prikladno kao proračun idealnog transformatora.

Za stvarni transformator, proizvođač mora dodatno procijeniti gubitke, radne uvjete, magnetski tok, struju namota i specifični krug napajanja.

3. Primarni{1}}prema-sekundarni omjer okretaja u sklopnim izvorima napajanja

Preklopni transformator napajanja radi drugačije od konvencionalnog mrežnog-frekvencijskog transformatora.

Transformator se obično pokreće sklopljenim valnim oblikom koji generira poluvodički sklopni krug. Napon primijenjen na primarni namot stoga ovisi o topologiji napajanja i uvjetima uključivanja.

Uobičajene topologije uključuju:

Povratni let

Naprijed

Gurni-povuci

Pola{0}}mosta

Pun-most

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

Zbog toga slijedi sljedeći izračun:

Ulazni napon / Izlazni napon

treba tretirati kao početnu točku, a ne konačnu projektnu jednadžbu za svaki prekidački izvor napajanja.

4. Zašto radni ciklus utječe na omjer okretaja

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

Radni ciklus predstavlja postotak svakog sklopnog razdoblja tijekom kojeg sklopni krug primjenjuje energiju na transformator.

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

Reprezentativni odnos može se izraziti kao:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

Gdje:

Vout=Izlazni napon

Vin=Relevantni sklopni{1}}ulazni napon stupnja

D=Radni ciklus

Ns/Np=Sekundarni-prema-primarnom omjer okretaja

Stvarna jednadžba ovisi o topologiji pretvarača i konfiguraciji kruga.

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 neprikladnog dizajna transformatora.

Na primjer, prekidački izvor napajanja može raditi iz:

300–400 V DC

nego na jednom fiksnom naponu.

Transformator mora ispravno raditi u cijelom ovom rasponu uz održavanje potrebnog izlaznog napona i izbjegavanje pretjeranog magnetskog toka.

Kada razvijate prilagođeni transformator, osigurajte:

Minimalni ulazni napon

Nazivni ulazni napon

Maksimalni ulazni napon

Maksimalni radni ciklus

Frekvencija prebacivanja

Potreban izlazni napon

Izlazna struja

Omjer okretaja treba procijeniti prema cijelom radnom rasponu, a ne prema jednoj nazivnoj vrijednosti.

6. Izlazni napon nije uvijek jednak sekundarnom naponu transformatora

Ovo je jedna od najčešćih pogrešaka u izračunu omjera zavoja transformatora.

Pretpostavimo da napajanje zahtijeva regulirani izlaz od 12 V DC.

To ne znači nužno da bi sekundarni namot transformatora jednostavno trebao biti dizajniran za 12 V.

Između transformatora i konačnog istosmjernog izlaza, krug može sadržavati:

Ispravljačke diode

Sinkrono ispravljanje

Izlazni induktori

Kondenzatori

Strujni krug regulacije napona

PCB vodiči

Ove komponente utječu na stvarni napon koji se isporučuje opterećenju.

Sekundarni napon transformatora stoga treba odrediti prema kompletnom krugu napajanja.

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

7. Padovi napona utječu na praktični omjer zavoja

Idealan transformator nema električnih gubitaka. Pravi transformator to radi.

Padovi napona mogu biti posljedica:

Otpor primarnog namota

Otpor sekundarnog namota

Pad napona ispravljača

Induktivitet curenja

Gubici-uređaja za prebacivanje

PCB otpornost

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 kruga.

Iznos kompenzacije ovisi o izvedbi napajanja i uvjetima opterećenja.

Stoga se stvarni omjer zavoja treba utvrditi nakon razmatranja cjelokupnog električnog puta.

8. Omjer okretaja i dizajn magnetske jezgre

Omjer zavoja određuje odnos napona između namota, ali apsolutni broj zavoja također mora biti kompatibilan s magnetskom jezgrom.

Za visokofrekventni transformator, na primarne zavoje utječu:

Primijenjeni napon

Frekvencija prebacivanja

Maksimalni radni ciklus

Površina presjeka-jezgre

Materijal jezgre

Maksimalna gustoća toka

Preklopni valni oblik

Premalo primarnih zavoja može rezultirati pretjeranim magnetskim tokom i potencijalno dovesti jezgru prema zasićenju.

Previše zavoja može povećati duljinu namota, gubitak bakra, induktivitet curenja i veličinu transformatora.

Stoga dizajn transformatora zahtijeva oboje:

Ispravan omjer okretaja

i

Točan apsolutni broj okretaja.

Oni su povezani, ali nisu isti parametri dizajna.

9. Omjer okretaja također određuje trenutni odnos

Omjer zavoja transformatora povezan je sa strujom kao i naponom.

Za idealan transformator:

Ip / Je=Ns / Np

Gdje:

Ip=Primarna struja

Je=sekundarna struja

Np=Primarni okreće

Ns=Sekundarni okreti

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

To ima izravan učinak na dizajn namota transformatora.

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

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

Veći vodiči

Više paralelnih žica

Odgovarajući slojevi namota

Poseban raspored namotaja

Stoga se omjer okretaja uvijek treba razmatrati zajedno sa zahtjevima za snagom i strujom.

10. Primjer: Izračun omjera zavoja za napajanje

Razmotrite pojednostavljeno prekidačko napajanje s:

DC ulaz: 320 V

Potreban izlaz: 24 V

Preklopna topologija: pola-mosta

Približan radni ciklus: 50%

Jednostavna usporedba napona daje:

320 / 24 = 13.33

Međutim, bilo bi netočno odmah navesti omjer transformatora 13,33:1 bez razmatranja rada polu-mosta.

Napon koji se stvarno primjenjuje na primarni transformator, radni ciklus, metoda ispravljanja, gubici napona i raspon regulacije utječu na konačni dizajn.

Proizvođač transformatora bi stoga koristio kompletnu specifikaciju napajanja kako bi odredio:

Odgovarajuća jezgra

Primarni okreti

Sekundarni zavoji

Omjer okretaja

Veličina žice

Raspored namotaja

Izolacijska struktura

Očekivani porast temperature

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

11. Uobičajene pogreške u proračunu omjera zavoja transformatora

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

Ovo služi kao idealna početna točka, ali nije dovoljno za mnoge primjene prekidačkog napajanja.

Pogreška 2: Ignoriranje topologije pretvarača

Povratni, prednji, polu{0}}mosni i puni-mosni pretvarači imaju različite odnose prijenosa-napona i energije.

Pogreška 3: Ignoriranje radnog ciklusa

PWM kontrola mijenja efektivni napon i energiju isporučenu kroz transformator.

Pogreška 4: Brkanje istosmjernog izlaza sa sekundarnim naponom

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

Pogreška 5: Odabir omjera okretaja bez provjere toka jezgre

Ispravan omjer napona još uvijek može rezultirati prekomjernom gustoćom toka ako je apsolutni broj zavoja primara prenizak.

Pogreška 6: Ignoriranje struje namota

Vodič namota mora biti sposoban nositi se sa stvarnim RMS i vršnim strujama koje stvara napajanje.

12. Koje informacije trebate dati proizvođaču prilagođenih transformatora?

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 za procjenu dizajna magneta i namota umjesto oslanjanja 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 trebati prilagoditi stvarnom izvoru napajanja.

Proizvođač transformatora po narudžbi može procijeniti:

Izbor magnetske jezgre

Primarni i sekundarni zavoji

Struktura namota

Izbor žice

Izolacija

Induktivitet curenja

Porast temperature

Mehaničke dimenzije

Izvedivost proizvodnje

Ovo je osobito važno kada transformator mora odgovarati određenom PCB-u ili raditi unutar definiranog raspona učinkovitosti i temperature.

Zaključak

Izračun omjera zavoja transformatora počinje odnosom između primarnog i sekundarnog napona:

Vp / Vs=Np / Ns

Ali ovaj idealni odnos samo je početna točka za praktični transformator napajanja.

Za komutacijske aplikacije, konačni dizajn također mora uzeti u obzir topologiju pretvarača, radni ciklus, raspon ulaznog napona, ispravljanje, gubitke napona, frekvenciju komutacije, magnetsku jezgru, gustoću toka, struju namota i toplinske uvjete.

Za visokofrekventni transformator, točan omjer zavoja i apsolutni broj zavoja moraju se razviti zajedno. Odgovarajući dizajn trebao bi osigurati potrebnu transformaciju napona uz zadržavanje magnetskog toka, gubitaka namota, porasta temperature i ukupnih dimenzija unutar zahtjeva primjene.

Za OEM i prilagođene projekte napajanja, isporuka kompletnih električnih i mehaničkih specifikacija proizvođaču transformatora najpouzdaniji je način za određivanje odgovarajućeg dizajna primarnog i sekundarnog namota.

Ključni zahvati

Kada izračunavate omjer zavoja transformatora, uvijek uzmite u obzir:

• Primarni i sekundarni napon
• Raspon ulaznog napona
• Topologija pretvarača
• Radni ciklus
• Frekvencija prebacivanja
• Metoda ispravljanja
• Padovi napona i gubici u krugu
• Magnetska jezgra i gustoća toka
• Primarna i sekundarna struja
• Izolacijski i toplinski zahtjevi

Omjer zavoja uspostavlja osnovni odnos napona, ali kompletan dizajn transformatora određuje hoće li komponenta stvarno raditi pouzdano u opskrbi električnom energijom.