Poměr závitů transformátoru je základní parametr používaný k určení napěťového vztahu mezi primárním a sekundárním vinutím. Pro aplikace napájecích zdrojů však výpočet správného poměru závitů vyžaduje více než pouhé dělení vstupního napětí výstupním napětím.
V běžném transformátoru je poměr napětí přímo úměrný poměru závitů vinutí. U spínaného zdroje závisí konečný návrh transformátoru také na topologii převodníku, spínací frekvenci, pracovním cyklu, tvaru vlny, metodě usměrnění, magnetickém jádru a rozsahu provozního napětí.
Pro inženýry a OEM nákupčí pracující s vysokofrekvenčním transformátorem nebo spínaným napájecím transformátorem může pochopení těchto vztahů učinit výběr transformátoru a vlastní vývoj efektivnější.
1. Co je to poměr otáček transformátoru?
Poměr závitů transformátoru popisuje vztah mezi počtem závitů na primárním vinutí a počtem závitů na sekundárním vinutí.
Pro ideální transformátor:
Vp / Vs=Np / Ns
Kde:
Vp=Primární napětí
Vs=Sekundární napětí
Np=Primární zatáčky
Ns=Sekundární odbočky
Pokud je například primární napětí 400 V a požadované sekundární napětí je 40 V:
400 / 40 = 10
Základní poměr primárních{0}}k{1}}sekundárních otáček je tedy:
Np : Ns=10 : 1
Tento výpočet poskytuje základní vztah napětí. Sama o sobě neurčuje konečný návrh vinutí praktického napájecího transformátoru.
2. Jak vypočítat základní zatáčky
Nejjednodušší výpočet je založen na primárním a sekundárním napětí.
Poměr otáček=Primární napětí / Sekundární napětí
Zvažte například transformátor s:
Primární napětí: 240V
Sekundární napětí: 24V
Základní poměr otáček je:
240 / 24 = 10
Proto:
Np : Ns=10 : 1
Pokud primární vinutí obsahuje 200 závitů, teoretické sekundární vinutí by obsahovalo:
200 / 10=20 otáček
To je vhodné jako ideální výpočet transformátoru.
U skutečného transformátoru musí výrobce dále vyhodnotit ztráty, provozní podmínky, magnetický tok, proud vinutím a konkrétní napájecí obvod.
3. Poměr primárních-k-sekundárních odboček u spínaných zdrojů napájení
Spínaný napájecí transformátor funguje jinak než běžný síťový -frekvenční transformátor.
Transformátor je normálně buzen spínaným průběhem generovaným polovodičovým spínacím obvodem. Napětí aplikované na primární vinutí tedy závisí na topologii napájecího zdroje a podmínkách spínání.
Mezi běžné topologie patří:
Flyback
Vpřed
Zatlačte-vytáhněte
Poloviční-most
Úplný-most
Protože tyto topologie přenášejí energii odlišně, liší se také vztah mezi vstupním napětím, výstupním napětím, pracovním cyklem a poměrem otáček transformátoru.
To je důvod, proč následující výpočet:
Vstupní napětí / Výstupní napětí
by měl být považován spíše za výchozí bod než za konečnou návrhovou rovnici pro každý spínaný zdroj.
4. Proč pracovní cyklus ovlivňuje poměr zatáček
U mnoha zdrojů PWM je výstupní napětí řízeno spínacím pracovním cyklem.
Pracovní cyklus představuje procento každé spínací periody, během které spínací obvod dodává energii do transformátoru.
Pro zjednodušený vztah převodníku může být výstupní napětí vztaženo ke vstupnímu napětí, pracovnímu cyklu a poměru závitů.
Reprezentativní vztah lze vyjádřit takto:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Kde:
Vout=Výstupní napětí
Vin=Vstupní napětí příslušného spínacího-stupně
D=Pracovní cyklus
Ns/Np=Poměr sekundárních-k-primárních otáček
Skutečná rovnice závisí na topologii převodníku a konfiguraci obvodu.
Z tohoto důvodu musí výrobce transformátoru znát topologii napájecího zdroje před stanovením poměru konečných závitů.
5. Je třeba vzít v úvahu rozsah vstupního napětí
Použití pouze jmenovitého vstupního napětí může vést k nevhodné konstrukci transformátoru.
Například spínaný zdroj může fungovat z:
300–400 V DC
spíše než při jednom pevném napětí.
Transformátor musí správně fungovat v tomto rozsahu při zachování požadovaného výstupního napětí a zamezení nadměrného magnetického toku.
Při vývoji vlastního transformátoru poskytněte:
Minimální vstupní napětí
Jmenovité vstupní napětí
Maximální vstupní napětí
Maximální pracovní cyklus
Frekvence spínání
Požadované výstupní napětí
Výstupní proud
Poměr otáček by měl být vyhodnocen vůči celému provoznímu rozsahu spíše než jedné jmenovité hodnotě.
6. Výstupní napětí není vždy stejné jako sekundární napětí transformátoru
Toto je jedna z nejčastějších chyb ve výpočtech poměru závitů transformátoru.
Předpokládejme, že napájecí zdroj vyžaduje regulovaný výstup 12 V DC.
Neznamená to nutně, že sekundární vinutí transformátoru by mělo být jednoduše navrženo pro 12 V.
Mezi transformátorem a konečným DC výstupem může obvod obsahovat:
Usměrňovací diody
Synchronní usměrnění
Výstupní induktory
Kondenzátory
Obvody regulace napětí
vodiče PCB
Tyto komponenty ovlivňují skutečné napětí dodávané do zátěže.
Sekundární napětí transformátoru je proto potřeba určit podle celého napájecího obvodu.
U vlastního vysokofrekvenčního transformátoru by měl výrobce obdržet skutečné požadavky na sekundární -stranu, nikoli pouze konečné výstupní stejnosměrné napětí.
7. Pokles napětí ovlivňuje praktický poměr otáček
Ideální transformátor nemá žádné elektrické ztráty. Skutečný transformátor ano.
Pokles napětí může být způsoben:
Odpor primárního vinutí
Odpor sekundárního vinutí
Pokles napětí usměrňovače
Svodová indukčnost
Ztráty-přepínání zařízení
Odolnost PCB
Jiné ztráty převodníku
Například, pokud konečný výstup musí zůstat na 24 V pod zatížením, transformátor může potřebovat poskytnout sekundární napětí, které kompenzuje ztráty napětí ve zbytku obvodu.
Výše kompenzace závisí na konstrukci napájecího zdroje a podmínkách zatížení.
Proto by měl být skutečný poměr otáček stanoven po zvážení kompletní elektrické cesty.
8. Poměr otáček a konstrukce magnetického jádra
Poměr závitů určuje napěťový vztah mezi vinutími, ale absolutní počet závitů musí být také kompatibilní s magnetickým jádrem.
U vysokofrekvenčního transformátoru jsou primární závity ovlivněny:
Použité napětí
Frekvence spínání
Maximální pracovní cyklus
Hlavní průřezová-oblast
Materiál jádra
Maximální hustota toku
Přepínání průběhu
Příliš málo primárních závitů může mít za následek nadměrný magnetický tok a potenciálně řídit jádro směrem k nasycení.
Příliš mnoho závitů může zvýšit délku vinutí, ztrátu mědi, svodovou indukčnost a velikost transformátoru.
Proto návrh transformátoru vyžaduje obojí:
Správný poměr otáček
a
Správný absolutní počet otáček.
Ty spolu souvisí, ale nejedná se o stejný parametr návrhu.
9. Poměr otáček Určuje také aktuální vztah
Poměr závitů transformátoru souvisí s proudem i napětím.
Pro ideální transformátor:
IP / je=Ns / Np
Kde:
IP=Primární proud
Je=sekundární proud
Np=Primární zatáčky
Ns=Sekundární odbočky
To znamená, že když se napětí sníží, sekundární strana obecně přenáší vyšší proud při stejném přeneseném výkonu.
To má přímý vliv na konstrukci vinutí transformátoru.
Výrobce musí zvolit vhodné rozměry vodičů a uspořádání vinutí podle skutečného proudu.
U vysokoproudých sekundárních vinutí může návrh vyžadovat:
Větší vodiče
Více paralelních vodičů
Vhodné vrstvy navíjení
Speciální uspořádání vinutí
Proto by měl být poměr otáček vždy zvažován společně s požadavky na výkon a proud.
10. Příklad: Výpočet otáčkového poměru pro napájecí zdroj
Zvažte zjednodušený spínaný zdroj s:
DC vstup: 320V
Požadovaný výstup: 24V
Přepínání topologie: poloviční-můstek
Přibližný pracovní cyklus: 50 %
Jednoduché srovnání napětí dává:
320 / 24 = 13.33
Bylo by však nesprávné okamžitě specifikovat poměr transformátoru 13,33:1 bez ohledu na provoz polovičního-můstku.
Napětí skutečně aplikované na primáru transformátoru, pracovní cyklus, metoda usměrnění, ztráty napětí a rozsah regulace, to vše ovlivňuje konečný návrh.
Výrobce transformátoru by proto použil úplnou specifikaci napájecího zdroje k určení:
Vhodné jádro
Primární zatáčky
Sekundární zatáčky
Poměr otáček
Velikost drátu
Uspořádání navíjení
Izolační struktura
Očekávaný nárůst teploty
To je důvod, proč by měl být vlastní vývoj transformátoru prováděn společně se skutečným návrhem převodníku.
11. Běžné chyby ve výpočtu poměru otáček transformátoru
Chyba 1: Použití vstupního napětí ÷ výstupního napětí jako konečného poměru
To funguje jako ideální výchozí bod, ale pro mnoho aplikací spínaných zdrojů to nestačí.
Chyba 2: Ignorování topologie převodníku
Převodníky Flyback, forward, half{0}}a full bridge{1}}mají různé vztahy mezi přenosem napětí a energie-.
Chyba 3: Ignorování pracovního cyklu
PWM řízení mění efektivní napětí a energii dodávanou přes transformátor.
Chyba 4: Záměna DC výstupu se sekundárním napětím
Konečné regulované stejnosměrné napětí se může lišit od požadovaného sekundárního napětí transformátoru kvůli usměrnění a dalším ztrátám v obvodu.
Chyba 5: Výběr poměru otáček bez kontroly toku jádra
Správný poměr napětí může stále vést k nadměrné hustotě toku, pokud je absolutní počet primárních závitů příliš nízký.
Chyba 6: Ignorování proudu vinutí
Vodič vinutí musí být schopen zvládnout skutečnou efektivní hodnotu a špičkové proudy generované napájecím zdrojem.
12. Jaké informace byste měli poskytnout výrobci vlastního transformátoru?
Při požadavku na zakázkový transformátor pro napájecí zdroj, poskytnutí úplných technických informací pomáhá výrobci správně vyhodnotit návrh.
| Parametr | Doporučené informace |
|---|---|
| Aplikace | Spínaný zdroj / konvertor / nabíječka / průmyslová zařízení |
| Vstupní napětí | Minimum / jmenovitý / maximální |
| Výstupní napětí | Požadované výstupní napětí |
| Výstupní proud | Jmenovitý / maximální |
| Moc | Jmenovitý výkon |
| Topologie | Flyback / forward / push-tah / half{1}}most / full{2}}most |
| Přepínací frekvence | Provozní frekvence nebo rozsah |
| Pracovní cyklus | Provozní rozsah |
| Rektifikace | Diodové / synchronní / jiné |
| Izolace | Požadované izolační napětí |
| Provozní teplota | Okolní a maximální teplota |
| Rozměry | Maximální dostupný prostor |
| Montáž | PCB / průchozí-otvor / jiné |
| Množství | Prototyp / malosériová / sériová výroba |
U projektů OEM dávají tyto parametry výrobci vysokofrekvenčního transformátoru dostatek informací k vyhodnocení konstrukce magnetů a vinutí namísto spoléhání se na neúplné specifikace napětí.
13. Kdy byste měli pracovat s výrobcem transformátoru?
Standardní transformátor může být vhodný, pokud napětí, výkon, frekvence, rozměry a požadavky na montáž již odpovídají stávajícímu návrhu.
U zařízení OEM však může být nutné přizpůsobit transformátor podle skutečného napájecího zdroje.
Vlastní výrobce transformátoru může vyhodnotit:
Výběr magnetického jádra
Primární a sekundární otáčky
Struktura vinutí
Výběr drátu
Izolace
Svodová indukčnost
Nárůst teploty
Mechanické rozměry
Výrobní proveditelnost
To je zvláště důležité, když se transformátor musí vejít do konkrétní desky plošných spojů nebo pracovat v definovaném rozsahu účinnosti a teplot.
Závěr
Výpočet poměru závitů transformátoru začíná vztahem mezi primárním a sekundárním napětím:
Vp / Vs=Np / Ns
Ale tento ideální vztah je pouze výchozím bodem pro praktický napájecí transformátor.
U spínacích aplikací musí konečný návrh vzít v úvahu také topologii měniče, pracovní cyklus, rozsah vstupního napětí, usměrnění, ztráty napětí, spínací frekvenci, magnetické jádro, hustotu toku, proud vinutí a tepelné podmínky.
Pro vysokofrekvenční transformátor musí být správný poměr závitů a absolutní počet závitů vyvinuty společně. Vhodná konstrukce by měla zajistit požadovanou transformaci napětí při zachování magnetického toku, ztrát ve vinutí, nárůstu teploty a celkových rozměrů v rámci požadavků aplikace.
Pro projekty OEM a zakázkových napájecích zdrojů je dodání kompletních elektrických a mechanických specifikací výrobci transformátoru nejspolehlivějším způsobem, jak určit vhodnou konstrukci primárního a sekundárního vinutí.
Klíčové věci
Při výpočtu poměru závitů transformátoru vždy zvažte:
- Primární a sekundární napětí
- Rozsah vstupního napětí
- Topologie převodníku
- Pracovní cyklus
- Frekvence spínání
- Metoda nápravy
- Poklesy napětí a ztráty v obvodu
- Magnetické jádro a hustota toku
- Primární a sekundární proud
- Izolační a tepelné požadavky
Poměr závitů určuje základní vztah napětí, ale kompletní návrh transformátoru určuje, zda součást bude skutečně spolehlivě fungovat v napájecím zdroji.