Raportul de spire al transformatorului este un parametru fundamental utilizat pentru a determina relația de tensiune dintre înfășurările primare și secundare. Cu toate acestea, pentru aplicațiile de alimentare cu energie, calcularea raportului corect de ture necesită mai mult decât simpla împărțire a tensiunii de intrare la tensiunea de ieșire.
Într-un transformator convențional, raportul tensiunii este direct legat de raportul spirelor înfășurării. Într-o sursă de alimentare cu comutație, designul final al transformatorului depinde și de topologia convertorului, frecvența de comutare, ciclul de lucru, forma de undă, metoda de rectificare, miezul magnetic și domeniul de tensiune de operare.
Pentru inginerii și cumpărătorii OEM care lucrează cu un transformator de înaltă frecvență sau cu un transformator de alimentare cu comutare, înțelegerea acestor relații poate face ca selecția transformatorului și dezvoltarea personalizată să fie mai eficiente.
1. Ce este raportul de rotații al transformatorului?
Raportul de spire al transformatorului descrie relația dintre numărul de spire de pe înfășurarea primară și numărul de spire de pe înfășurarea secundară.
Pentru un transformator ideal:
Vp / Vs=Np / Ns
Unde:
Vp=Tensiune primară
Vs=tensiune secundară
Np=Viraje primare
Ns=viraje secundare
De exemplu, dacă tensiunea primară este de 400 V și tensiunea secundară necesară este de 40 V:
400 / 40 = 10
Prin urmare, raportul de bază al virajelor primar-la-secundar este:
Np : Ns=10 : 1
Acest calcul oferă relația de bază de tensiune. Nu determină, prin ea însăși, proiectarea finală a înfășurării unui transformator practic de alimentare.
2. Cum se calculează raportul de bază al virajelor
Cel mai simplu calcul se bazează pe tensiunea primară și secundară.
Raportul de ture=Tensiune primară / Tensiune secundară
De exemplu, luați în considerare un transformator cu:
Tensiune primară: 240 V
Tensiune secundară: 24 V
Raportul de bază al spirelor este:
240 / 24 = 10
Prin urmare:
Np : Ns=10 : 1
Dacă înfășurarea primară conține 200 de spire, înfășurarea secundară teoretică ar conține:
200 / 10=20 ture
Acest lucru este adecvat ca un calcul ideal al transformatorului.
Pentru un transformator real, producătorul trebuie să evalueze în continuare pierderile, condițiile de funcționare, fluxul magnetic, curentul de înfășurare și circuitul specific de alimentare.
3. Raportul de rotații primar-la-secundar în sursele de alimentare cu comutare
Un transformator de alimentare cu comutare funcționează diferit de un transformator de frecvență de rețea{0}}convențional.
Transformatorul este condus în mod normal de o formă de undă comutată generată de un circuit de comutare semiconductor. Prin urmare, tensiunea aplicată înfășurării primare depinde de topologia sursei de alimentare și de condițiile de comutare.
Topologiile comune includ:
Flyback
Redirecţiona
Împinge{0}}trage
Jumătate-pod
Pod-plin
Deoarece aceste topologii transferă energie în mod diferit, relația dintre tensiunea de intrare, tensiunea de ieșire, ciclul de funcționare și raportul de rotație al transformatorului diferă de asemenea.
De aceea, următorul calcul:
Tensiune de intrare / tensiune de ieșire
ar trebui tratat ca un punct de plecare mai degrabă decât ca ecuația finală de proiectare pentru fiecare sursă de alimentare comutată.
4. De ce ciclul de funcționare afectează raportul de ture
În multe surse de alimentare PWM, tensiunea de ieșire este controlată prin ciclul de comutare.
Ciclul de lucru reprezintă procentul din fiecare perioadă de comutare în timpul căreia circuitul de comutare aplică energie transformatorului.
Pentru o relație simplificată a convertorului, tensiunea de ieșire poate fi legată de tensiunea de intrare, ciclul de lucru și raportul de spire.
O relație reprezentativă poate fi exprimată astfel:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Unde:
Vout=Tensiune de ieșire
Vin=Tensiunea de intrare a treptei de comutare-relevantă
D=Ciclu de funcționare
Ns/Np=Raportul de ture-la-primar
Ecuația reală depinde de topologia convertorului și de configurația circuitului.
Din acest motiv, un producător de transformatoare trebuie să cunoască topologia sursei de alimentare înainte de a determina raportul final al spirelor.
5. Intervalul de tensiune de intrare trebuie luat în considerare
Utilizarea numai a tensiunii nominale de intrare poate duce la un design neadecvat al transformatorului.
De exemplu, o sursă de alimentare comutată poate funcționa de la:
300–400 V DC
mai degrabă decât la o singură tensiune fixă.
Transformatorul trebuie să funcționeze corect în acest interval, menținând în același timp tensiunea de ieșire necesară și evitând fluxul magnetic excesiv.
Când dezvoltați un transformator personalizat, furnizați:
Tensiune minima de intrare
Tensiunea nominală de intrare
Tensiunea maximă de intrare
Ciclu de funcționare maxim
Frecvența de comutare
Tensiunea de ieșire necesară
Curent de ieșire
Raportul de rotație trebuie evaluat în raport cu întregul interval de funcționare, mai degrabă decât cu o valoare nominală.
6. Tensiunea de ieșire nu este întotdeauna egală cu tensiunea secundară a transformatorului
Aceasta este una dintre cele mai frecvente greșeli în calculele raportului de rotații ale transformatorului.
Să presupunem că o sursă de alimentare necesită o ieșire reglată de 12 V DC.
Nu înseamnă neapărat că înfășurarea secundară a transformatorului ar trebui să fie proiectată pur și simplu pentru 12 V.
Între transformator și ieșirea finală DC, circuitul poate conține:
Diode redresoare
Rectificare sincronă
Inductori de ieșire
Condensatoare
Circuitul de reglare a tensiunii
Conductori PCB
Aceste componente influențează tensiunea reală furnizată sarcinii.
Prin urmare, tensiunea secundară a transformatorului trebuie determinată în funcție de circuitul complet de alimentare.
Pentru un transformator personalizat de înaltă frecvență, producătorul ar trebui să primească cerințele reale-laterale secundare, mai degrabă decât doar tensiunea finală de ieșire CC.
7. Căderile de tensiune afectează raportul practic de ture
Un transformator ideal nu are pierderi electrice. Un transformator adevărat o face.
Căderile de tensiune pot rezulta din:
Rezistenta infasurarii primare
Rezistenta infasurarii secundare
Căderea de tensiune a redresorului
Inductanța de scurgere
Schimbarea-pierderilor de dispozitiv
Rezistență PCB
Alte pierderi de convertizor
De exemplu, dacă ieșirea finală trebuie să rămână la 24 V sub sarcină, este posibil ca transformatorul să fie nevoie să furnizeze o tensiune secundară care să compenseze pierderile de tensiune din restul circuitului.
Valoarea compensației depinde de proiectarea sursei de alimentare și de condițiile de sarcină.
Prin urmare, raportul efectiv al spirelor trebuie stabilit după luarea în considerare a traseului electric complet.
8. Raportul de ture și designul miezului magnetic
Raportul spirelor determină relația de tensiune dintre înfășurări, dar numărul absolut de spire trebuie să fie și compatibil cu miezul magnetic.
Pentru un transformator de înaltă frecvență, spirele primare sunt influențate de:
Tensiunea aplicată
Frecvența de comutare
Ciclu de funcționare maxim
Zona secțiunii transversale de bază
Material de bază
Densitate maximă de flux
Comutarea formei de undă
Prea puține rotații primare pot duce la un flux magnetic excesiv și pot conduce miezul spre saturație.
Prea multe spire pot crește lungimea înfășurării, pierderea de cupru, inductanța de scurgere și dimensiunea transformatorului.
Prin urmare, proiectarea transformatorului necesită ambele:
Raportul corect de viraj
şi
Numărul absolut corect de ture.
Acestea sunt legate, dar nu sunt același parametru de proiectare.
9. Raportul de ture determină, de asemenea, relația curentă
Raportul de spire a transformatorului este legat de curent, precum și de tensiune.
Pentru un transformator ideal:
Ip / Este=Ns / Np
Unde:
Ip=Curent primar
Este=curent secundar
Np=Viraje primare
Ns=viraje secundare
Aceasta înseamnă că atunci când tensiunea este redusă, partea secundară transportă în general un curent mai mare pentru aceeași putere transferată.
Acest lucru are un efect direct asupra designului înfășurării transformatorului.
Producătorul trebuie să aleagă dimensiunile conductoarelor adecvate și aranjamentele înfășurărilor în funcție de curentul real.
Pentru înfășurările secundare cu curent ridicat-, proiectarea poate necesita:
Conductori mai mari
Mai multe fire paralele
Straturi de înfăşurare adecvate
Aranjamentele speciale de bobinaj
Prin urmare, raportul de ture ar trebui să fie întotdeauna luat în considerare împreună cu cerințele de putere și curent.
10. Exemplu: Calcularea raportului de ture pentru o sursă de alimentare
Luați în considerare o sursă de alimentare comutată simplificată cu:
Intrare DC: 320 V
Ieșire necesară: 24 V
Topologie de comutare: jumătate-punte
Ciclu de lucru aproximativ: 50%
O comparație simplă de tensiune oferă:
320 / 24 = 13.33
Cu toate acestea, ar fi incorect să specificați imediat un raport de transformator de 13,33:1 fără a lua în considerare funcționarea pe jumătate-punte.
Tensiunea aplicată efectiv la primarul transformatorului, ciclul de funcționare, metoda de rectificare, pierderile de tensiune și domeniul de reglare afectează toate proiectarea finală.
Prin urmare, producătorul transformatorului ar folosi specificația completă a sursei de alimentare pentru a determina:
Miez adecvat
Virajele primare
Viraje secundare
Raportul de viraje
Dimensiunea firului
Aranjament de înfășurare
Structura de izolare
Creșterea temperaturii așteptată
Acesta este motivul pentru care dezvoltarea personalizată a transformatorului ar trebui efectuată împreună cu proiectarea actuală a convertorului.
11. Greșeli obișnuite de calcul a raportului de rotații ale transformatorului
Greșeala 1: Folosirea Tensiunii de intrare ÷ Tensiunii de ieșire ca raport final
Acesta funcționează ca un punct de plecare ideal, dar nu este suficient pentru multe aplicații de alimentare cu comutare.
Greșeala 2: Ignorarea topologiei convertorului
Convertoarele Flyback, forward, half-bridge și full-bridge au diferite relații de transfer de tensiune și energie-.
Greșeala 3: Ignorarea ciclului de funcționare
Controlul PWM modifică tensiunea efectivă și energia furnizată prin transformator.
Greșeala 4: Ieșirea DC confuză cu tensiunea secundară
Tensiunea de curent continuu reglată finală poate diferi de tensiunea secundară necesară a transformatorului din cauza redresării și a altor pierderi de circuit.
Greșeala 5: Selectarea raportului de viraje fără a verifica fluxul de miez
Un raport corect de tensiune poate avea ca rezultat o densitate excesivă a fluxului dacă numărul absolut de spire primare este prea mic.
Greșeala 6: Ignorarea curentului de înfășurare
Conductorul de înfășurare trebuie să fie capabil să gestioneze RMS real și curenții de vârf generați de sursa de alimentare.
12. Ce informații ar trebui să oferiți unui producător de transformatoare personalizate?
Atunci când solicitați un transformator personalizat pentru o sursă de alimentare, furnizarea de informații tehnice complete ajută producătorul să evalueze corect proiectul.
| Parametru | Informații recomandate |
|---|---|
| Aplicație | Sursa de comutare / convertor / încărcător / echipamente industriale |
| Tensiune de intrare | Minim / nominal / maxim |
| Tensiune de ieșire | Tensiunea de ieșire necesară |
| Curent de ieșire | Evaluat / maxim |
| Putere | Putere nominală |
| Topologie | Flyback / înainte / împingere-tragere / jumătate-pod / punte-plină |
| Frecvența de comutare | Frecvența sau intervalul de funcționare |
| Ciclul de funcționare | Interval de operare |
| Rectificare | Diodă / sincron / altele |
| Izolare | Tensiunea de izolare necesară |
| Temperatura de operare | Temperatura ambianta si temperatura maxima |
| Dimensiuni | Spațiu maxim disponibil |
| Montare | PCB / orificiu-performant / altul |
| Cantitate | Prototip / lot mic / producție în masă |
Pentru proiectele OEM, acești parametri oferă unui producător de transformatoare de înaltă frecvență suficiente informații pentru a evalua proiectarea magnetică și a înfășurării în loc să se bazeze pe specificații incomplete de tensiune.
13. Când ar trebui să lucrați cu un producător de transformatoare?
Un transformator standard poate fi potrivit atunci când tensiunea, puterea, frecvența, dimensiunile și cerințele de montare se potrivesc deja cu un design existent.
Cu toate acestea, pentru echipamentele OEM, transformatorul poate fi nevoit să fie personalizat în funcție de sursa de alimentare reală.
Un producător de transformatoare personalizate poate evalua:
Selectarea miezului magnetic
Virajele primare și secundare
Structură înfăşurată
Alegerea firului
Izolare
Inductanța de scurgere
Creșterea temperaturii
Dimensiuni mecanice
Fezabilitatea producției
Acest lucru este deosebit de important atunci când transformatorul trebuie să se potrivească cu un anumit PCB sau să funcționeze într-un interval de eficiență și temperatură definit.
Concluzie
Calcularea raportului de spire al transformatorului începe cu relația dintre tensiunea primară și secundară:
Vp / Vs=Np / Ns
Dar această relație ideală este doar punctul de plecare pentru un transformator practic de alimentare.
Pentru aplicațiile de comutare, proiectarea finală trebuie să ia în considerare și topologia convertorului, ciclul de funcționare, domeniul de tensiune de intrare, redresarea, pierderile de tensiune, frecvența de comutare, miezul magnetic, densitatea fluxului, curentul înfășurării și condițiile termice.
Pentru un transformator de înaltă frecvență, raportul corect de spire și numărul absolut de spire trebuie dezvoltate împreună. Un design adecvat ar trebui să asigure transformarea de tensiune necesară, menținând în același timp fluxul magnetic, pierderile în înfășurare, creșterea temperaturii și dimensiunile generale în cerințele aplicației.
Pentru proiectele OEM și personalizate de alimentare cu energie, furnizarea specificațiilor electrice și mecanice complete către producătorul transformatorului este cea mai fiabilă modalitate de a determina designul adecvat al înfășurării primare și secundare.
Recomandări cheie
Când calculați raportul de rotație al transformatorului, luați în considerare întotdeauna:
- Tensiune primară și secundară
- Gama de tensiune de intrare
- Topologia convertizorului
- Ciclu de funcționare
- Frecvența de comutare
- Metoda de rectificare
- Căderi de tensiune și pierderi de circuit
- Miez magnetic și densitatea fluxului
- Curent primar si secundar
- Cerințe de izolare și termică
Raportul de spire stabilește relația de bază de tensiune, dar proiectarea completă a transformatorului determină dacă componenta va funcționa într-adevăr fiabil în sursa de alimentare.