Sådan beregnes transformatordrejningsforhold for strømforsyningsapplikationer

Transformatorens omdrejningsforhold er en grundlæggende parameter, der bruges til at bestemme spændingsforholdet mellem de primære og sekundære viklinger. Til strømforsyningsapplikationer kræver beregning af det korrekte drejningsforhold dog mere end blot at dividere indgangsspændingen med udgangsspændingen.

I en konventionel transformer er spændingsforholdet direkte relateret til viklingsdrejningsforholdet. I en koblingsstrømforsyning afhænger det endelige transformatordesign også af konvertertopologien, koblingsfrekvensen, driftscyklus, bølgeform, ensretningsmetode, magnetisk kerne og driftsspændingsområde.

For ingeniører og OEM-købere, der arbejder med en højfrekvent transformer eller skiftende strømforsyningstransformer, kan forståelsen af ​​disse forhold gøre transformervalg og tilpasset udvikling mere effektiv.

1. Hvad er Transformer Turns Ratio?

Transformatorvindingsforholdet beskriver forholdet mellem antallet af vindinger på primærviklingen og antallet af vindinger på sekundærviklingen.

For en ideel transformer:

Vp/Vs=Np/Ns

Hvor:

Vp=Primær spænding

Vs=Sekundær spænding

Np=Primære sving

Ns=Sekundære sving

For eksempel, hvis den primære spænding er 400 V, og den nødvendige sekundære spænding er 40 V:

400 / 40 = 10

Det grundlæggende primære-til-sekundære drejningsforhold er derfor:

Np : Ns=10 : 1

Denne beregning giver det grundlæggende spændingsforhold. Det bestemmer ikke i sig selv det endelige viklingsdesign af en praktisk strømforsyningstransformator.

2. Sådan beregnes det grundlæggende drejningsforhold

Den enkleste beregning er baseret på den primære og sekundære spænding.

Drejningsforhold=Primær spænding/sekundær spænding

Overvej for eksempel en transformer med:

Primær spænding: 240 V

Sekundær spænding: 24 V

Det grundlæggende drejningsforhold er:

240 / 24 = 10

Derfor:

Np : Ns=10 : 1

Hvis den primære vikling indeholder 200 vindinger, vil den teoretiske sekundære vikling indeholde:

200 / 10=20 omgange

Dette er passende som en ideel transformerberegning.

For en egentlig transformer skal producenten yderligere evaluere tab, driftsforhold, magnetisk flux, viklingsstrøm og det specifikke strømforsyningskredsløb.

3. Primær-til-Sekundær drejningsforhold ved skift af strømforsyninger

En omskiftende strømforsyningstransformator fungerer anderledes end en konventionel-netfrekvenstransformator.

Transformatoren drives normalt af en switchet bølgeform genereret af et halvlederomskifterkredsløb. Spændingen påført til primærviklingen afhænger derfor af strømforsyningstopologien og koblingsbetingelserne.

Almindelige topologier inkluderer:

Flyback

Forward

Skub-træk

Halv-bro

Fuld-bro

Fordi disse topologier overfører energi forskelligt, er forholdet mellem indgangsspænding, udgangsspænding, driftscyklus og transformatordrejningsforhold også forskelligt.

Dette er grunden til følgende beregning:

Indgangsspænding / Udgangsspænding

bør behandles som et udgangspunkt snarere end den endelige designligning for hver skiftende strømforsyning.

4. Hvorfor arbejdscyklus påvirker svingforhold

I mange PWM-strømforsyninger styres udgangsspændingen gennem koblingsdriftscyklussen.

Driftscyklussen repræsenterer procentdelen af ​​hver koblingsperiode, i hvilken koblingskredsløbet tilfører energi til transformeren.

For et forenklet konverterforhold kan udgangsspændingen relateres til indgangsspændingen, driftscyklus og omdrejningsforhold.

Et repræsentativt forhold kan udtrykkes som:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

Hvor:

Vout=Udgangsspænding

Vin=Relevant koblings-indgangsspænding

D=Driftscyklus

Ns/Np=Sekundært-til-primært svingforhold

Den faktiske ligning afhænger af konvertertopologien og kredsløbskonfigurationen.

Af denne grund skal en transformerproducent kende strømforsyningstopologien, før den endelige drejningsforhold bestemmes.

5. Indgangsspændingsområde skal tages i betragtning

Brug kun den nominelle indgangsspænding kan føre til et uegnet transformerdesign.

For eksempel kan en skiftende strømforsyning fungere fra:

300–400 V DC

snarere end ved én fast spænding.

Transformatoren skal fungere korrekt på tværs af dette område, samtidig med at den krævede udgangsspænding bibeholdes og for stor magnetisk flux undgås.

Når du udvikler en tilpasset transformer, skal du angive:

Minimum indgangsspænding

Nominel indgangsspænding

Maksimal indgangsspænding

Maksimal driftscyklus

Skiftefrekvens

Påkrævet udgangsspænding

Udgangsstrøm

Omdrejningsforholdet bør vurderes i forhold til hele driftsområdet i stedet for én nominel værdi.

6. Udgangsspænding er ikke altid lig med transformatorens sekundære spænding

Dette er en af ​​de mest almindelige fejl i beregninger af transformatordrejningsforhold.

Antag, at en strømforsyning kræver en reguleret 12 V DC-udgang.

Det betyder ikke nødvendigvis, at transformatorens sekundære vikling blot skal designes til 12 V.

Mellem transformeren og den endelige DC-udgang kan kredsløbet indeholde:

Ensretterdioder

Synkron ensretning

Udgangsspoler

Kondensatorer

Spændingsreguleringskredsløb

PCB ledere

Disse komponenter påvirker den faktiske spænding, der leveres til belastningen.

Transformatorens sekundære spænding skal derfor bestemmes i henhold til det komplette strømforsyningskredsløb.

For en tilpasset højfrekvenstransformator bør producenten modtage de faktiske sekundære-sidekrav i stedet for kun den endelige DC-udgangsspænding.

7. Spændingsfald påvirker det praktiske drejningsforhold

En ideel transformer har ingen elektriske tab. Det gør en rigtig transformer.

Spændingsfald kan skyldes:

Primær viklingsmodstand

Sekundær viklingsmodstand

Ensretter spændingsfald

Lækageinduktans

Skiftende-enhedstab

PCB modstand

Andre konvertertab

For eksempel, hvis den endelige udgang skal forblive på 24 V under belastning, skal transformeren muligvis levere en sekundær spænding, der kompenserer for spændingstabene i resten af ​​kredsløbet.

Kompensationsbeløbet afhænger af strømforsyningens design og belastningsforhold.

Derfor bør det faktiske drejningsforhold etableres efter at have overvejet den komplette elektriske vej.

8. Drejningsforhold og magnetisk kernedesign

Vindingsforholdet bestemmer spændingsforholdet mellem viklingerne, men det absolutte antal vindinger skal også være kompatibelt med den magnetiske kerne.

For en højfrekvent transformer påvirkes de primære vindinger af:

Påført spænding

Skiftefrekvens

Maksimal driftscyklus

Kernetværsnitsareal-

Kernemateriale

Maksimal fluxtæthed

Skiftende bølgeform

For få primære drejninger kan resultere i overdreven magnetisk flux og potentielt drive kernen mod mætning.

For mange drejninger kan øge viklingslængden, kobbertab, lækageinduktans og transformatorstørrelse.

Derfor kræver transformerdesign både:

Det korrekte drejningsforhold

og

Det korrekte absolutte antal omgange.

Disse er relaterede, men de er ikke den samme designparameter.

9. Drejningsforhold bestemmer også det aktuelle forhold

Transformatorens omdrejningsforhold er relateret til strøm såvel som spænding.

For en ideel transformer:

IP/Er=Ns/Np

Hvor:

IP=Primær strøm

Er=Sekundær strøm

Np=Primære sving

Ns=Sekundære sving

Det betyder, at når spændingen trappes ned, bærer sekundærsiden generelt en højere strøm for den samme overførte effekt.

Dette har en direkte effekt på transformatorviklingens design.

Fabrikanten skal vælge passende lederdimensioner og viklingsarrangementer i henhold til den aktuelle strøm.

Til høj-strøms sekundærviklinger kan designet kræve:

Større konduktører

Flere parallelle ledninger

Passende viklingslag

Særlige viklingsarrangementer

Derfor bør omdrejningsforhold altid overvejes sammen med effekt- og strømkrav.

10. Eksempel: Beregning af omdrejningsforhold for en strømforsyning

Overvej en forenklet skiftende strømforsyning med:

DC-indgang: 320 V

Nødvendig udgang: 24 V

Skiftende topologi: halv-bro

Omtrentlig arbejdscyklus: 50 %

En simpel spændingssammenligning giver:

320 / 24 = 13.33

Det ville dog være forkert umiddelbart at angive et transformerforhold på 13,33:1 uden at tage den halve-brooperation i betragtning.

Den spænding, der faktisk påføres transformatorens primære, driftscyklus, ensretningsmetode, spændingstab og reguleringsområde påvirker alle det endelige design.

Transformatorproducenten ville derfor bruge den komplette strømforsyningsspecifikation til at bestemme:

Passende kerne

Primære vendinger

Sekundære vendinger

Omdrejningsforhold

Trådstørrelse

Oprulningsarrangement

Isoleringsstruktur

Forventet temperaturstigning

Dette er grunden til, at tilpasset transformerudvikling bør udføres sammen med det faktiske konverterdesign.

11. Almindelige fejl i beregningen af ​​transformerdrejningsforhold

Fejl 1: Brug af indgangsspænding ÷ udgangsspænding som det endelige forhold

Dette fungerer som et ideelt udgangspunkt, men er ikke tilstrækkeligt til mange skiftende strømforsyningsapplikationer.

Fejl 2: Ignorerer konvertertopologi

Tilbage-, frem-, halv--bro- og fuld-brokonvertere har forskellige spændings- og energi-overførselsforhold.

Fejl 3: Ignorerer Duty Cycle

PWM-styring ændrer den effektive spænding og energi leveret gennem transformeren.

Fejl 4: Forvirrende DC-udgang med sekundær spænding

Den endelige regulerede DC-spænding kan afvige fra den nødvendige sekundære transformatorspænding på grund af ensretning og andre kredsløbstab.

Fejl 5: Valg af drejningsforhold uden at kontrollere kerneflux

Et korrekt spændingsforhold kan stadig resultere i for høj fluxtæthed, hvis det absolutte antal primære vindinger er for lavt.

Fejl 6: Ignorerer viklingsstrøm

Viklingslederen skal være i stand til at håndtere den faktiske RMS og spidsstrømme genereret af strømforsyningen.

12. Hvilke oplysninger skal du give en Custom Transformer Manufacturer?

Når du anmoder om en tilpasset transformer til en strømforsyning, hjælper levering af fuldstændige tekniske oplysninger producenten med at evaluere designet korrekt.

Til OEM-projekter giver disse parametre en højfrekvent transformatorproducent nok information til at evaluere det magnetiske og viklingsdesign i stedet for at stole på ufuldstændige spændingsspecifikationer.

13. Hvornår skal du arbejde med en transformerproducent?

En standardtransformer kan være egnet, når spænding, effekt, frekvens, dimensioner og monteringskrav allerede matcher et eksisterende design.

For OEM-udstyr skal transformeren dog muligvis tilpasses til den faktiske strømforsyning.

En brugerdefineret transformerproducent kan evaluere:

Valg af magnetisk kerne

Primære og sekundære sving

Snoede struktur

Trådvalg

Isolering

Lækageinduktans

Temperaturstigning

Mekaniske dimensioner

Produktionsgennemførlighed

Dette er især vigtigt, når transformeren skal passe til et specifikt printkort eller fungere inden for et defineret effektivitets- og temperaturområde.

Konklusion

Beregning af et transformatordrejningsforhold begynder med forholdet mellem primær og sekundær spænding:

Vp/Vs=Np/Ns

Men dette ideelle forhold er kun udgangspunktet for en praktisk strømforsyningstransformator.

Til koblingsapplikationer skal det endelige design også overveje konvertertopologi, driftscyklus, indgangsspændingsområde, ensretning, spændingstab, koblingsfrekvens, magnetisk kerne, fluxtæthed, viklingsstrøm og termiske forhold.

For en højfrekvent transformer skal det korrekte omdrejningsforhold og det absolutte antal vindinger udvikles sammen. Et passende design bør give den nødvendige spændingstransformation, mens magnetisk flux, viklingstab, temperaturstigning og overordnede dimensioner holdes inden for applikationskravene.

For OEM og brugerdefinerede strømforsyningsprojekter er levering af komplette elektriske og mekaniske specifikationer til transformatorproducenten den mest pålidelige måde at bestemme det passende primære og sekundære viklingsdesign på.

Nøgle takeaways

Når du beregner et transformatordrejningsforhold, skal du altid overveje:

• Primær og sekundær spænding
• Indgangsspændingsområde
• Konverter topologi
• Arbejdscyklus
• Skiftefrekvens
• Berigtigelsesmetode
• Spændingsfald og kredsløbstab
• Magnetisk kerne og fluxtæthed
• Primær og sekundær strøm
• Isolerings- og termiske krav

Omdrejningsforholdet etablerer det grundlæggende spændingsforhold, men det komplette transformatordesign afgør, om komponenten faktisk vil fungere pålideligt i strømforsyningen.