Коефициентът на превръщане на трансформатора е основен параметър, използван за определяне на връзката на напрежението между първичната и вторичната намотка. За приложения за захранване обаче изчисляването на правилното съотношение на обороти изисква повече от просто разделяне на входното напрежение на изходното напрежение.
В конвенционален трансформатор съотношението на напрежението е пряко свързано с коефициента на завои на намотката. При импулсно захранване крайният дизайн на трансформатора също зависи от топологията на преобразувателя, честотата на превключване, работния цикъл, формата на вълната, метода на коригиране, магнитната сърцевина и обхвата на работното напрежение.
За инженери и OEM купувачи, работещи с високочестотен трансформатор или превключващ захранващ трансформатор, разбирането на тези взаимоотношения може да направи избора на трансформатор и персонализираното разработване по-ефективно.
1. Какво представлява коефициентът на превръщане на трансформатора?
Коефициентът на завъртане на трансформатора описва връзката между броя на навивки на първичната намотка и броя на навивки на вторичната намотка.
За идеален трансформатор:
Vp / Vs=Np / Ns
където:
Vp=Първично напрежение
Срещу=вторично напрежение
Np=Основни завои
Ns=Вторични завои
Например, ако първичното напрежение е 400 V, а необходимото вторично напрежение е 40 V:
400 / 40 = 10
Основното{0}}към-вторично съотношение на завои следователно е:
Np : Ns=10 : 1
Това изчисление осигурява основната зависимост на напрежението. Той сам по себе си не определя окончателния дизайн на намотката на практически захранващ трансформатор.
2. Как да изчислим основния коефициент на завъртане
Най-простото изчисление се основава на първичното и вторичното напрежение.
Коефициент на завъртане=първично напрежение / вторично напрежение
Например, помислете за трансформатор с:
Първично напрежение: 240 V
Вторично напрежение: 24 V
Основното съотношение на оборотите е:
240 / 24 = 10
Следователно:
Np : Ns=10 : 1
Ако първичната намотка съдържа 200 намотки, теоретичната вторична намотка ще съдържа:
200 / 10=20 оборота
Това е подходящо като изчисление на идеален трансформатор.
За действителен трансформатор производителят трябва допълнително да оцени загубите, условията на работа, магнитния поток, тока на намотката и специфичната верига на захранване.
3. Първично{1}}към-вторично съотношение на обороти в импулсни захранвания
Превключващият захранващ трансформатор работи по различен начин от конвенционалния мрежов-честотен трансформатор.
Трансформаторът обикновено се задвижва от комутирана форма на вълната, генерирана от полупроводникова комутационна верига. Следователно напрежението, приложено към първичната намотка, зависи от топологията на захранването и условията на превключване.
Общите топологии включват:
Flyback
Напред
Бутане-дърпане
Половин{0}}мост
Пълен-мост
Тъй като тези топологии пренасят енергия по различен начин, връзката между входното напрежение, изходното напрежение, коефициента на запълване и коефициента на завъртане на трансформатора също се различава.
Ето защо следното изчисление:
Входно напрежение / Изходно напрежение
трябва да се третира като отправна точка, а не като окончателно проектно уравнение за всяко импулсно захранване.
4. Защо работният цикъл влияе на съотношението на оборотите
В много захранвания с PWM изходното напрежение се контролира чрез цикъла на превключване.
Работният цикъл представлява процента от всеки период на превключване, през който превключващата верига прилага енергия към трансформатора.
За опростена връзка на преобразувателя, изходното напрежение може да бъде свързано с входното напрежение, работния цикъл и коефициента на завъртане.
Представителната връзка може да се изрази като:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
където:
Vout=Изходно напрежение
Vin=Съответно входно напрежение на етапа на превключване-
D=Работен цикъл
Ns/Np=Съотношение на завоите на вторичното-към-основното
Действителното уравнение зависи от топологията на преобразувателя и конфигурацията на веригата.
Поради тази причина производителят на трансформатор трябва да знае топологията на захранването, преди да определи крайното съотношение на завъртания.
5. Трябва да се има предвид обхватът на входното напрежение
Използването само на номиналното входно напрежение може да доведе до неподходяща конструкция на трансформатора.
Например импулсно захранване може да работи от:
300–400 V DC
а не при едно фиксирано напрежение.
Трансформаторът трябва да работи правилно в този диапазон, като същевременно поддържа необходимото изходно напрежение и избягва прекомерен магнитен поток.
Когато разработвате персонализиран трансформатор, осигурете:
Минимално входно напрежение
Номинално входно напрежение
Максимално входно напрежение
Максимален работен цикъл
Честота на превключване
Необходимо изходно напрежение
Изходен ток
Коефициентът на обороти трябва да се оценява спрямо целия работен диапазон, а не спрямо една номинална стойност.
6. Изходното напрежение не винаги е равно на вторичното напрежение на трансформатора
Това е една от най-честите грешки при изчисляването на коефициента на превръщане на трансформатора.
Да предположим, че захранването изисква регулиран 12 V DC изход.
Това не означава непременно, че вторичната намотка на трансформатора просто трябва да бъде проектирана за 12 V.
Между трансформатора и крайния DC изход веригата може да съдържа:
Токоизправителни диоди
Синхронна корекция
Изходни индуктори
Кондензатори
Схема за регулиране на напрежението
PCB проводници
Тези компоненти влияят на действителното напрежение, доставено на товара.
Следователно вторичното напрежение на трансформатора трябва да се определи според цялата верига на захранване.
За персонализиран високочестотен трансформатор производителят трябва да получи действителните изисквания за вторичната -страна, а не само окончателното постояннотоково изходно напрежение.
7. Паданията на напрежението влияят на практическото съотношение на завоите
Идеалният трансформатор няма електрически загуби. Истинският трансформатор го прави.
Падането на напрежението може да се дължи на:
Съпротивление на първичната намотка
Съпротивление на вторичната намотка
Падане на напрежението на токоизправителя
Индуктивност на утечка
Загуби-на превключващо устройство
PCB устойчивост
Други загуби на конвертора
Например, ако крайният изход трябва да остане 24 V под товар, може да се наложи трансформаторът да осигури вторично напрежение, което компенсира загубите на напрежение в останалата част от веригата.
Размерът на компенсацията зависи от конструкцията на захранването и условията на натоварване.
Следователно действителното съотношение на завои трябва да се установи след разглеждане на пълния електрически път.
8. Коефициент на завъртане и дизайн на магнитната сърцевина
Съотношението на навивки определя съотношението на напрежението между намотките, но абсолютният брой на навивки също трябва да е съвместим с магнитната сърцевина.
За високочестотен трансформатор първичните завои се влияят от:
Приложено напрежение
Честота на превключване
Максимален работен цикъл
Площ на напречното-сечение на ядрото
Основен материал
Максимална плътност на потока
Превключване на формата на вълната
Твърде малко първични навивки могат да доведат до прекомерен магнитен поток и потенциално да задвижат ядрото към насищане.
Твърде много навивки могат да увеличат дължината на намотката, загубата на мед, индуктивността на утечка и размера на трансформатора.
Следователно дизайнът на трансформатора изисква и двете:
Правилното съотношение на оборотите
и
Правилният абсолютен брой завои.
Те са свързани, но не са един и същ параметър на дизайна.
9. Коефициентът на обръщане също определя текущата връзка
Коефициентът на превръщане на трансформатора е свързан както с тока, така и с напрежението.
За идеален трансформатор:
Ip / е=Ns / Np
където:
Ip=Първичен ток
Е=вторичен ток
Np=Основни завои
Ns=Вторични завои
Това означава, че когато напрежението се понижи, вторичната страна обикновено носи по-висок ток за същата прехвърлена мощност.
Това има пряк ефект върху конструкцията на намотката на трансформатора.
Производителят трябва да избере подходящи размери на проводника и разположение на намотките според действителния ток.
За вторични намотки с голям{0}}ток проектът може да изисква:
По-големи проводници
Множество успоредни проводници
Подходящи слоеве за навиване
Специални намотки
Следователно коефициентът на завъртане винаги трябва да се разглежда заедно с изискванията за мощност и ток.
10. Пример: Изчисляване на коефициента на обороти за захранване
Помислете за опростено импулсно захранване с:
DC вход: 320 V
Необходим изход: 24 V
Превключваща топология: половин-мост
Приблизителен работен цикъл: 50%
Едно просто сравнение на напрежението дава:
320 / 24 = 13.33
Въпреки това би било неправилно да се посочи незабавно коефициент на трансформация 13,33:1, без да се вземе предвид работата на половин-мост.
Напрежението, действително приложено към първичния трансформатор, работният цикъл, методът на коригиране, загубите на напрежение и обхватът на регулиране влияят на окончателния дизайн.
Следователно производителят на трансформатора би използвал пълната спецификация на захранването, за да определи:
Подходящо ядро
Първични завои
Вторични завои
Коефициент на обороти
Размер на проводника
Подреждане на навиване
Изолационна структура
Очаквано повишаване на температурата
Ето защо разработването на трансформатор по поръчка трябва да се извършва заедно с действителния дизайн на преобразувателя.
11. Често срещани грешки при изчисляване на коефициента на превръщане на трансформатора
Грешка 1: Използване на входно напрежение ÷ изходно напрежение като крайно съотношение
Това работи като идеална отправна точка, но не е достатъчно за много приложения с импулсно захранване.
Грешка 2: Пренебрегване на топологията на конвертора
Преобразувателите с обратен ход, преден, полу-мост и пълен-мост имат различни връзки на пренос на напрежение и енергия-.
Грешка 3: Пренебрегване на работния цикъл
PWM управлението променя ефективното напрежение и енергията, доставяни през трансформатора.
Грешка 4: Объркване на DC изход с вторично напрежение
Крайното регулирано постоянно напрежение може да се различава от изискваното вторично напрежение на трансформатора поради изправяне и други загуби във веригата.
Грешка 5: Избор на коефициент на обороти без проверка на потока на сърцевината
Правилното съотношение на напрежението все още може да доведе до прекомерна плътност на потока, ако абсолютният брой първични навивки е твърде нисък.
Грешка 6: Пренебрегване на тока на намотката
Проводникът на намотката трябва да може да поеме действителните RMS и пикови токове, генерирани от захранването.
12. Каква информация трябва да предоставите на производител на персонализирани трансформатори?
When requesting a custom transformer for a power supply, providing complete technical information helps the manufacturer evaluate the design correctly.
| Параметър | Препоръчителна информация |
|---|---|
| Приложение | Импулсно захранване / конвертор / зарядно / промишлено оборудване |
| Входно напрежение | Минимум / номинал / максимум |
| Изходно напрежение | Необходимо изходно напрежение |
| Изходен ток | Номинално / максимално |
| мощност | Номинална мощност |
| Топология | Flyback / напред / бутане-дърпане / половин-мост / пълен-мост |
| Честота на превключване | Работна честота или диапазон |
| Работен цикъл | Работен диапазон |
| Коригиране | Диодни / синхронни / други |
| Изолация | Необходимо изолационно напрежение |
| Работна температура | Околна и максимална температура |
| Размери | Максимално налично пространство |
| Монтаж | PCB / през-отвор / друго |
| Количество | Прототип / малка партида / масово производство |
За OEM проекти тези параметри дават на производителя на високочестотен трансформатор достатъчно информация, за да оцени дизайна на магнита и намотката, вместо да разчита на непълни спецификации на напрежението.
13. Кога трябва да работите с производител на трансформатори?
Стандартен трансформатор може да е подходящ, когато напрежението, мощността, честотата, размерите и изискванията за монтаж вече съответстват на съществуващ дизайн.
За OEM оборудване обаче може да се наложи трансформаторът да бъде персонализиран спрямо действителното захранване.
Персонализиран производител на трансформатори може да оцени:
Избор на магнитна сърцевина
Първични и вторични завои
Навиваща се структура
Избор на проводник
Изолация
Индуктивност на утечка
повишаване на температурата
Механични размери
Осъществимост на производството
Това е особено важно, когато трансформаторът трябва да пасне на конкретна печатна платка или да работи в определен диапазон на ефективност и температура.
Заключение
Изчисляването на коефициента на превръщане на трансформатора започва с връзката между първичното и вторичното напрежение:
Vp / Vs=Np / Ns
Но тази идеална връзка е само отправната точка за практичен захранващ трансформатор.
За превключващи приложения крайният дизайн трябва да вземе предвид топологията на преобразувателя, работния цикъл, обхвата на входното напрежение, коригирането, загубите на напрежение, честотата на превключване, магнитната сърцевина, плътността на потока, тока на намотката и топлинните условия.
За високочестотен трансформатор правилното съотношение на навивки и абсолютният брой навивки трябва да се разработят заедно. Подходящият дизайн трябва да осигурява необходимата трансформация на напрежението, като същевременно запазва магнитния поток, загубите в намотките, повишаването на температурата и общите размери в рамките на изискванията на приложението.
За OEM и персонализирани проекти за захранване, предоставянето на пълни електрически и механични спецификации на производителя на трансформатора е най-надеждният начин за определяне на подходящия дизайн на първичната и вторичната намотка.
Ключови изводи
Когато изчислявате коефициента на превръщане на трансформатора, винаги вземайте предвид:
- Първично и вторично напрежение
- Диапазон на входното напрежение
- Топология на конвертора
- Работен цикъл
- Честота на превключване
- Метод на коригиране
- Падане на напрежението и загуби във веригата
- Магнитна сърцевина и плътност на потока
- Първичен и вторичен ток
- Изолационни и топлинни изисквания
Коефициентът на завъртане установява основната връзка на напрежението, но цялостният дизайн на трансформатора определя дали компонентът наистина ще работи надеждно в захранването.