Як розрахувати коефіцієнт трансформації трансформатора для джерел живлення

Коефіцієнт витків трансформатора є основним параметром, який використовується для визначення співвідношення напруги між первинною та вторинною обмотками. Однак для джерел живлення обчислення правильного коефіцієнта витків вимагає більше, ніж просто ділення вхідної напруги на вихідну.

У звичайному трансформаторі коефіцієнт напруги безпосередньо пов'язаний з коефіцієнтом витків обмотки. У імпульсному джерелі живлення кінцева конструкція трансформатора також залежить від топології перетворювача, частоти перемикання, робочого циклу, форми сигналу, методу випрямлення, магнітного сердечника та діапазону робочої напруги.

Для інженерів і покупців OEM, які працюють з високочастотним трансформатором або імпульсним трансформатором джерела живлення, розуміння цих взаємозв’язків може зробити вибір трансформатора та індивідуальну розробку більш ефективними.

1. Що таке коефіцієнт трансформації трансформатора?

Коефіцієнт витків трансформатора описує співвідношення між кількістю витків на первинній обмотці та кількістю витків на вторинній обмотці.

Для ідеального трансформатора:

Vp / Vs=Np / Ns

Де:

Vp=Первинна напруга

Проти=вторинної напруги

Np=Основні повороти

Ns=Другорядні повороти

Наприклад, якщо первинна напруга становить 400 В, а необхідна вторинна напруга становить 40 В:

400 / 40 = 10

Таким чином, базове співвідношення обертів первинної-до-вторинної мережі становить:

Np : Ns=10 : 1

Цей розрахунок забезпечує базове співвідношення напруги. Він сам по собі не визначає кінцеву конструкцію обмотки практичного трансформатора джерела живлення.

2. Як розрахувати основний коефіцієнт витків

Найпростіший розрахунок базується на первинній і вторинній напрузі.

Коефіцієнт витків=Первинна напруга / вторинна напруга

Наприклад, розглянемо трансформатор з:

Первинна напруга: 240 В

Вторинна напруга: 24 В

Основний коефіцієнт витків:

240 / 24 = 10

Тому:

Np : Ns=10 : 1

Якщо первинна обмотка містить 200 витків, то теоретична вторинна обмотка буде містити:

200 / 10=20 обертів

Це підходить як ідеальний розрахунок трансформатора.

Для фактичного трансформатора виробник повинен додатково оцінити втрати, умови роботи, магнітний потік, струм обмотки та конкретну схему джерела живлення.

3. Коефіцієнт витків первинної-до-вторинної обмотки в імпульсних джерелах живлення

Імпульсний трансформатор джерела живлення працює інакше, ніж звичайний мережевий{0}}трансформатор частоти.

Трансформатор зазвичай керується переключеною формою сигналу, що генерується напівпровідниковою схемою перемикання. Таким чином, напруга, що подається на первинну обмотку, залежить від топології джерела живлення та умов комутації.

Загальні топології включають:

Flyback

вперед

Push{0}}pull

Напівміст-

Повний-міст

Оскільки ці топології по-різному передають енергію, співвідношення між вхідною напругою, вихідною напругою, робочим циклом і коефіцієнтом витків трансформатора також відрізняється.

Ось чому такий розрахунок:

Вхідна напруга/вихідна напруга

слід розглядати як відправну точку, а не як кінцеве рівняння проекту для кожного імпульсного джерела живлення.

4. Чому робочий цикл впливає на коефіцієнт обертання

У багатьох джерелах живлення з ШІМ вихідна напруга контролюється за допомогою циклу перемикання.

Робочий цикл являє собою відсоток кожного періоду перемикання, протягом якого схема перемикання подає енергію на трансформатор.

Для спрощеного співвідношення перетворювача вихідна напруга може бути пов’язана з вхідною напругою, робочим циклом і коефіцієнтом витків.

Представницькі відносини можна виразити так:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

Де:

Vout=Вихідна напруга

Vin=Відповідна перемикаюча-вхідна напруга каскаду

D=Робочий цикл

Ns/Np=Співвідношення обертів вторинної-до-основної

Фактичне рівняння залежить від топології перетворювача та конфігурації схеми.

З цієї причини виробник трансформатора повинен знати топологію джерела живлення перед визначенням кінцевого коефіцієнта витків.

5. Необхідно враховувати діапазон вхідної напруги

Використання лише номінальної вхідної напруги може призвести до невідповідної конструкції трансформатора.

Наприклад, імпульсний джерело живлення може працювати від:

300–400 В постійного струму

а не при одній фіксованій напрузі.

Трансформатор повинен правильно працювати в цьому діапазоні, зберігаючи необхідну вихідну напругу та уникаючи надмірного магнітного потоку.

Розробляючи індивідуальний трансформатор, надайте:

Мінімальна вхідна напруга

Номінальна вхідна напруга

Максимальна вхідна напруга

Максимальний робочий цикл

Частота перемикання

Необхідна вихідна напруга

Вихідний струм

Коефіцієнт витків слід оцінювати відносно повного робочого діапазону, а не одного номінального значення.

6. Вихідна напруга не завжди дорівнює напрузі вторинної обмотки трансформатора

Це одна з найпоширеніших помилок при розрахунку коефіцієнта витків трансформатора.

Припустимо, джерело живлення потребує регульованого вихідного струму 12 В постійного струму.

Це не означає, що вторинна обмотка трансформатора просто повинна бути розрахована на 12 В.

Між трансформатором і кінцевим виходом постійного струму ланцюг може містити:

Випрямні діоди

Синхронне випрямлення

Вихідні індуктори

Конденсатори

Схема регулювання напруги

Провідники для друкованих плат

Ці компоненти впливають на фактичну напругу, що подається на навантаження.

Тому вторинну напругу трансформатора необхідно визначати відповідно до повної схеми живлення.

Для індивідуального високочастотного трансформатора виробник повинен отримати фактичні вимоги до вторинної-сторони, а не лише остаточну вихідну напругу постійного струму.

7. Перепади напруги впливають на практичний коефіцієнт витків

Ідеальний трансформатор не має електричних втрат. Справжній трансформер робить.

Перепади напруги можуть бути викликані:

Опір первинної обмотки

Опір вторинної обмотки

Падіння напруги на випрямлячі

Індуктивність витоку

Втрати-комутаційного пристрою

Опір друкованої плати

Інші втрати перетворювача

Наприклад, якщо кінцева вихідна напруга повинна залишатися на рівні 24 В під навантаженням, трансформатору може знадобитися забезпечити вторинну напругу, яка компенсує втрати напруги в решті ланцюга.

Величина компенсації залежить від конструкції джерела живлення та умов навантаження.

Таким чином, фактичне співвідношення обертів має бути встановлено після розгляду повного електричного шляху.

8. Коефіцієнт обертів і конструкція магнітного сердечника

Коефіцієнт витків визначає співвідношення напруги між обмотками, але абсолютна кількість витків також має бути сумісною з магнітним сердечником.

Для високочастотного трансформатора на первинні оберти впливають:

Прикладена напруга

Частота перемикання

Максимальний робочий цикл

Площа поперечного-перерізу сердечника

Основний матеріал

Максимальна щільність потоку

Перемикання хвилі

Занадто мало первинних витків може призвести до надмірного магнітного потоку та потенційно привести серцевину до насичення.

Занадто багато витків може збільшити довжину обмотки, втрати міді, індуктивність витоку та розмір трансформатора.

Тому конструкція трансформатора вимагає обох:

Правильне співвідношення обертів

і

Правильна абсолютна кількість обертів.

Це пов’язані, але не є однаковими параметрами конструкції.

9. Коефіцієнт обертів також визначає поточне співвідношення

Коефіцієнт витків трансформатора пов'язаний як зі струмом, так і з напругою.

Для ідеального трансформатора:

Ip / Is=Ns / Np

Де:

Ip=Первинний струм

Є=вторинним струмом

Np=Основні повороти

Ns=Другорядні повороти

Це означає, що коли напруга знижується, вторинна сторона, як правило, переносить вищий струм для тієї ж переданої потужності.

Це безпосередньо впливає на конструкцію обмотки трансформатора.

Виробник повинен вибрати відповідні розміри провідника та розташування обмоток відповідно до фактичного струму.

Для-великого струму вторинних обмоток конструкція може вимагати:

Більші провідники

Кілька паралельних проводів

Відповідні шари намотування

Особливі пристрої намотування

Тому коефіцієнт витків завжди слід розглядати разом із вимогами до потужності та струму.

10. Приклад: Розрахунок коефіцієнта витків для джерела живлення

Розглянемо спрощене імпульсне джерело живлення з:

Вхід постійного струму: 320 В

Необхідний вихід: 24 В

Топологія комутації: половина-мост

Приблизний робочий цикл: 50%

Просте порівняння напруги дає:

320 / 24 = 13.33

Однак було б неправильно відразу вказати коефіцієнт трансформації 13,33:1 без урахування роботи напів-моста.

Фактична напруга, що подається на первинну обмотку трансформатора, робочий цикл, метод випрямлення, втрати напруги та діапазон регулювання – все це впливає на остаточну конструкцію.

Таким чином, виробник трансформатора буде використовувати повну специфікацію джерела живлення, щоб визначити:

Відповідне ядро

Первинні повороти

Другорядні повороти

Коефіцієнт обертів

Розмір дроту

Обмотка розташування

Ізоляційна структура

Очікуване підвищення температури

Ось чому розробка індивідуального трансформатора повинна виконуватися разом із фактичним проектом перетворювача.

11. Поширені помилки розрахунку коефіцієнта витків трансформатора

Помилка 1: використання вхідної напруги ÷ вихідної напруги як кінцевого співвідношення

Це є ідеальною відправною точкою, але недостатньо для багатьох застосувань імпульсних джерел живлення.

Помилка 2: ігнорування топології конвертера

Зворотні, прямохідні, напів-мостові та повно-мостові перетворювачі мають різні співвідношення передачі-напруги й енергії.

Помилка 3: Ігнорування робочого циклу

Керування ШІМ змінює ефективну напругу та енергію, що подається через трансформатор.

Помилка 4: плутайте вихід постійного струму з вторинною напругою

Кінцева регульована напруга постійного струму може відрізнятися від необхідної вторинної напруги трансформатора через випрямлення та інші втрати в ланцюзі.

Помилка 5: вибір коефіцієнта витків без перевірки основного потоку

Правильний коефіцієнт напруги все ще може призвести до надмірної щільності потоку, якщо абсолютна кількість первинних витків занадто мала.

Помилка 6: Ігнорування струму обмотки

Провідник обмотки повинен витримувати фактичні середньоквадратичні та пікові струми, що генеруються джерелом живлення.

12. Яку інформацію ви повинні надати виробнику індивідуальних трансформаторів?

Під час запиту індивідуального трансформатора для джерела живлення надання повної технічної інформації допоможе виробнику правильно оцінити конструкцію.

Для OEM-проектів ці параметри дають виробнику високочастотного трансформатора достатньо інформації для оцінки конструкції магніту та обмотки замість того, щоб покладатися на неповні характеристики напруги.

13. Коли слід співпрацювати з виробником трансформаторів?

Стандартний трансформатор може підійти, якщо напруга, потужність, частота, розміри та вимоги до монтажу вже відповідають існуючій конструкції.

Однак для обладнання OEM трансформатор може знадобитися налаштувати відповідно до фактичного джерела живлення.

Виробник трансформатора на замовлення може оцінити:

Вибір магнітопровода

Первинні та вторинні повороти

Звивиста структура

Вибір дроту

Ізоляція

Індуктивність витоку

Підвищення температури

Механічні розміри

Доцільність виробництва

Це особливо важливо, коли трансформатор повинен відповідати певній друкованій платі або працювати в певному діапазоні ефективності та температур.

Висновок

Розрахунок коефіцієнта витків трансформатора починається зі співвідношення між первинною та вторинною напругою:

Vp / Vs=Np / Ns

Але це ідеальне співвідношення є лише відправною точкою для практичного трансформатора джерела живлення.

Для програм комутації остаточний проект також повинен враховувати топологію перетворювача, робочий цикл, діапазон вхідної напруги, випрямлення, втрати напруги, частоту комутації, магнітний сердечник, щільність потоку, струм обмотки та теплові умови.

Для високочастотного трансформатора правильний коефіцієнт витків і абсолютна кількість витків повинні бути розроблені разом. Відповідна конструкція повинна забезпечувати необхідне перетворення напруги, зберігаючи при цьому магнітний потік, втрати в обмотці, підвищення температури та габаритні розміри в межах вимог застосування.

Для OEM і індивідуальних проектів джерел живлення надання повних електричних і механічних специфікацій виробнику трансформатора є найнадійнішим способом визначення відповідної конструкції первинної та вторинної обмоток.

Ключові висновки

При розрахунку коефіцієнта витків трансформатора завжди враховуйте:

• Первинна і вторинна напруга
• Діапазон вхідної напруги
• Топологія конвертера
• Робочий цикл
• Частота перемикання
• Метод ректифікації
• Падіння напруги та втрати в ланцюзі
• Магнітопровод і індукція
• Первинний і вторинний струм
• Ізоляційні та теплові вимоги

Коефіцієнт витків визначає основне співвідношення напруги, але повна конструкція трансформатора визначає, чи буде компонент справді надійно працювати в джерелі живлення.