Hvordan beregne transformatoromdreiningsforhold for strømforsyningsapplikasjoner

Transformatorens omdreiningsforhold er en grunnleggende parameter som brukes til å bestemme spenningsforholdet mellom primær- og sekundærviklingene. For strømforsyningsapplikasjoner krever imidlertid beregning av riktig svingforhold mer enn bare å dele inngangsspenningen med utgangsspenningen.

I en konvensjonell transformator er spenningsforholdet direkte relatert til viklingssvingningsforholdet. I en svitsjingsstrømforsyning avhenger den endelige transformatordesignen også av omformerens topologi, svitsjefrekvens, driftssyklus, bølgeform, likerettingsmetode, magnetisk kjerne og driftsspenningsområde.

For ingeniører og OEM-kjøpere som arbeider med en høyfrekvent transformator eller vekslende strømforsyningstransformator, kan forståelse av disse forholdene gjøre transformatorvalg og tilpasset utvikling mer effektiv.

1. Hva er Transformer Turns Ratio?

Transformatoromdreiningsforholdet beskriver forholdet mellom antall omdreininger på primærviklingen og antall omdreininger på sekundærviklingen.

For en ideell transformator:

Vp / Vs=Np / Ns

Hvor:

Vp=Primærspenning

Vs=sekundær spenning

Np=Primærsvinger

Ns=Sekundære svinger

For eksempel, hvis primærspenningen er 400 V og den nødvendige sekundære spenningen er 40 V:

400 / 40 = 10

Det grunnleggende primære-til-sekundære svingforholdet er derfor:

Np : Ns=10 : 1

Denne beregningen gir det grunnleggende spenningsforholdet. Den bestemmer ikke i seg selv den endelige viklingsdesignen til en praktisk strømforsyningstransformator.

2. Hvordan beregne det grunnleggende svingforholdet

Den enkleste beregningen er basert på primær- og sekundærspenningen.

Omdreiningsforhold=Primær spenning / sekundær spenning

Tenk for eksempel på en transformator med:

Primærspenning: 240 V

Sekundærspenning: 24 V

Det grunnleggende svingforholdet er:

240 / 24 = 10

Derfor:

Np : Ns=10 : 1

Hvis primærviklingen inneholder 200 omdreininger, vil den teoretiske sekundærviklingen inneholde:

200 / 10=20 svinger

Dette er passende som en ideell transformatorberegning.

For en faktisk transformator må produsenten videre evaluere tap, driftsforhold, magnetisk fluks, viklingsstrøm og den spesifikke strømforsyningskretsen.

3. Primær-til-sekundær svingforhold ved bytte av strømforsyning

En transformator for byttestrømforsyning fungerer annerledes enn en konvensjonell nettfrekvens-frekvenstransformator.

Transformatoren drives normalt av en svitsjet bølgeform generert av en halvledersvitsjekrets. Spenningen påført primærviklingen avhenger derfor av strømforsyningstopologien og svitsjeforholdene.

Vanlige topologier inkluderer:

Flyback

Framover

Trykk-trekk

Halv-bro

Full-bro

Fordi disse topologiene overfører energi forskjellig, er forholdet mellom inngangsspenning, utgangsspenning, driftssyklus og transformatoromdreiningsforhold også forskjellig.

Dette er grunnen til følgende beregning:

Inngangsspenning / Utgangsspenning

bør behandles som et utgangspunkt i stedet for den endelige designligningen for hver byttestrømforsyning.

4. Hvorfor driftssyklus påvirker svingforhold

I mange PWM-strømforsyninger styres utgangsspenningen gjennom svitsjingssyklusen.

Driftssyklusen representerer prosentandelen av hver koblingsperiode der svitsjekretsen tilfører energi til transformatoren.

For et forenklet omformerforhold kan utgangsspenningen relateres til inngangsspenningen, driftssyklusen og omdreiningsforholdet.

Et representativt forhold kan uttrykkes som:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

Hvor:

Vout=Utgangsspenning

Vin=Relevant svitsje-inngangsspenning

D=Driftssyklus

Ns/Np=Sekundært-til-primært svingforhold

Den faktiske ligningen avhenger av omformertopologien og kretskonfigurasjonen.

Av denne grunn må en transformatorprodusent kjenne til strømforsyningstopologien før den bestemmer det endelige svingforholdet.

5. Inngangsspenningsområde må tas i betraktning

Bruk av kun den nominelle inngangsspenningen kan føre til en uegnet transformatordesign.

For eksempel kan en byttestrømforsyning operere fra:

300–400 V DC

heller enn ved én fast spenning.

Transformatoren må fungere korrekt på tvers av dette området, samtidig som den opprettholder den nødvendige utgangsspenningen og unngår overdreven magnetisk fluks.

Når du utvikler en tilpasset transformator, oppgi:

Minimum inngangsspenning

Nominell inngangsspenning

Maksimal inngangsspenning

Maksimal driftssyklus

Byttefrekvens

Nødvendig utgangsspenning

Utgangsstrøm

Omdreiningsforholdet bør vurderes mot hele driftsområdet i stedet for én nominell verdi.

6. Utgangsspenningen er ikke alltid lik transformatorens sekundære spenning

Dette er en av de vanligste feilene i beregninger av transformatoromdreininger.

Anta at en strømforsyning krever en regulert 12 V DC-utgang.

Det betyr ikke nødvendigvis at transformatorens sekundærvikling bare skal være designet for 12 V.

Mellom transformatoren og den endelige DC-utgangen kan kretsen inneholde:

Likeretterdioder

Synkron retting

Utgangsinduktorer

Kondensatorer

Spenningsreguleringskretser

PCB-ledere

Disse komponentene påvirker den faktiske spenningen som leveres til lasten.

Transformatorens sekundærspenning må derfor bestemmes i henhold til hele strømforsyningskretsen.

For en tilpasset høyfrekvenstransformator bør produsenten motta de faktiske sekundære-kravene i stedet for bare den endelige DC-utgangsspenningen.

7. Spenningsfall påvirker det praktiske svingforholdet

En ideell transformator har ingen elektriske tap. En ekte transformator gjør det.

Spenningsfall kan skyldes:

Primær viklingsmotstand

Sekundær viklingsmotstand

Likeretterspenningsfall

Lekkasje induktans

Bytte-enhetstap

PCB motstand

Andre omformertap

For eksempel, hvis den endelige utgangen må forbli på 24 V under belastning, kan transformatoren trenge å gi en sekundærspenning som kompenserer for spenningstapene i resten av kretsen.

Kompensasjonsbeløpet avhenger av strømforsyningens design og belastningsforhold.

Derfor bør det faktiske svingforholdet etableres etter å ha vurdert den komplette elektriske banen.

8. Svingforhold og magnetisk kjernedesign

Omdreiningsforholdet bestemmer spenningsforholdet mellom viklingene, men det absolutte antallet vindinger må også være kompatibelt med den magnetiske kjernen.

For en høyfrekvent transformator påvirkes de primære svingene av:

Påført spenning

Byttefrekvens

Maksimal driftssyklus

Kjernetverrsnitt-

Kjernemateriale

Maksimal flukstetthet

Bytte bølgeform

For få primære svinger kan resultere i overdreven magnetisk fluks og potensielt drive kjernen mot metning.

For mange svinger kan øke viklingslengden, kobbertap, lekkasjeinduktans og transformatorstørrelse.

Derfor krever transformatordesign både:

Riktig svingforhold

og

Riktig absolutt antall svinger.

Disse er relatert, men de er ikke den samme designparameteren.

9. Svingforhold bestemmer også gjeldende forhold

Transformatorens omdreiningsforhold er relatert til strøm så vel som spenning.

For en ideell transformator:

IP / Er=Ns / Np

Hvor:

IP=Primærstrøm

Er=sekundærstrøm

Np=Primærsvinger

Ns=Sekundære svinger

Dette betyr at når spenningen trappes ned, bærer sekundærsiden generelt en høyere strøm for samme overførte effekt.

Dette har en direkte effekt på transformatorviklingens design.

Produsenten må velge passende lederdimensjoner og viklingsarrangement i henhold til den faktiske strømmen.

For sekundærviklinger med høy-strøm kan utformingen kreve:

Større konduktører

Flere parallelle ledninger

Passende viklingslag

Spesielle viklingsarrangementer

Derfor bør svingforhold alltid vurderes sammen med kraft- og strømkrav.

10. Eksempel: Beregning av svingforhold for en strømforsyning

Tenk på en forenklet byttestrømforsyning med:

DC-inngang: 320 V

Nødvendig utgang: 24 V

Byttetopologi: halv-bro

Omtrentlig driftssyklus: 50 %

En enkel spenningssammenligning gir:

320 / 24 = 13.33

Det ville imidlertid være feil å spesifisere et transformatorforhold på 13,33:1 umiddelbart uten å ta hensyn til halv-brooperasjonen.

Spenningen som faktisk påføres transformatorens primære, driftssyklus, rettingsmetode, spenningstap og reguleringsområde påvirker alle den endelige utformingen.

Transformatorprodusenten vil derfor bruke den komplette strømforsyningsspesifikasjonen for å bestemme:

Primærsvinger

Sekundære svinger

Omdreiningsforhold

Trådstørrelse

Viklearrangement

Isolasjonsstruktur

Forventet temperaturøkning

Dette er grunnen til at tilpasset transformatorutvikling bør utføres sammen med selve omformerdesignet.

11. Vanlige feil ved beregning av transformatorsvingforhold

Feil 1: Bruk av inngangsspenning ÷ utgangsspenning som sluttforhold

Dette fungerer som et ideelt utgangspunkt, men er ikke tilstrekkelig for mange applikasjoner med byttestrømforsyning.

Feil 2: Ignorerer omformertopologi

Flyback-, forover-, halv--bro- og full-bro-omformere har forskjellige spennings- og energioverføringsforhold-.

Feil 3: Ignorer duty Cycle

PWM-kontroll endrer den effektive spenningen og energien som leveres gjennom transformatoren.

Feil 4: Forvirrende DC-utgang med sekundærspenning

Den endelige regulerte likespenningen kan avvike fra den nødvendige sekundærspenningen på transformatoren på grunn av likeretting og andre kretstap.

Feil 5: Velge svingforhold uten å sjekke kjernefluks

Et riktig spenningsforhold kan fortsatt resultere i for høy flukstetthet hvis det absolutte antallet primæromdreininger er for lavt.

Feil 6: Ignorerer viklingsstrøm

Viklingslederen må være i stand til å håndtere den faktiske RMS og toppstrømmene generert av strømforsyningen.

12. Hvilken informasjon bør du gi en tilpasset transformatorprodusent?

Når du ber om en tilpasset transformator for en strømforsyning, hjelper det å gi fullstendig teknisk informasjon produsenten med å evaluere designet riktig.

For OEM-prosjekter gir disse parameterne en høyfrekvent transformatorprodusent nok informasjon til å evaluere den magnetiske og viklingsdesignen i stedet for å stole på ufullstendige spenningsspesifikasjoner.

13. Når bør du jobbe med en transformatorprodusent?

En standard transformator kan være egnet når spenning, effekt, frekvens, dimensjoner og monteringskrav allerede samsvarer med et eksisterende design.

For OEM-utstyr kan det imidlertid hende at transformatoren må tilpasses rundt selve strømforsyningen.

En tilpasset transformatorprodusent kan evaluere:

Valg av magnetisk kjerne

Primær- og sekundærsvinger

Svinget struktur

Trådvalg

Isolasjon

Lekkasje induktans

Temperaturøkning

Mekaniske dimensjoner

Produksjonsmulighet

Dette er spesielt viktig når transformatoren må passe til et spesifikt PCB eller operere innenfor et definert effektivitets- og temperaturområde.

Konklusjon

Beregning av et transformatoromdreiningsforhold begynner med forholdet mellom primær- og sekundærspenning:

Vp / Vs=Np / Ns

Men dette ideelle forholdet er bare utgangspunktet for en praktisk strømforsyningstransformator.

For svitsjeapplikasjoner må den endelige utformingen også vurdere omformertopologi, driftssyklus, inngangsspenningsområde, likeretting, spenningstap, svitsjefrekvens, magnetisk kjerne, flukstetthet, viklingsstrøm og termiske forhold.

For en høyfrekvent transformator må riktig omdreiningsforhold og det absolutte antall omdreininger utvikles sammen. Et passende design bør gi den nødvendige spenningstransformasjonen samtidig som magnetisk fluks, viklingstap, temperaturøkning og generelle dimensjoner holdes innenfor applikasjonskravene.

For OEM og spesialtilpassede strømforsyningsprosjekter er det å levere komplette elektriske og mekaniske spesifikasjoner til transformatorprodusenten den mest pålitelige måten å bestemme passende primær- og sekundærviklingsdesign.

Viktige takeaways

Når du beregner et transformatoromdreiningsforhold, må du alltid vurdere:

• Primær og sekundær spenning
• Inngangsspenningsområde
• Konverter topologi
• Driftssyklus
• Byttefrekvens
• Rettingsmetode
• Spenningsfall og kretstap
• Magnetisk kjerne og flukstetthet
• Primær- og sekundærstrøm
• Isolasjons- og termiske krav

Omdreiningsforholdet etablerer det grunnleggende spenningsforholdet, men hele transformatordesignet avgjør om komponenten faktisk vil fungere pålitelig i strømforsyningen.