A transzformátor fordulatszáma az elsődleges és a szekunder tekercs közötti feszültségviszony meghatározására használt alapvető paraméter. Tápellátási alkalmazásoknál azonban a megfelelő fordulatszám kiszámításához többre van szükség, mint a bemeneti feszültség és a kimeneti feszültség egyszerű elosztására.
Egy hagyományos transzformátorban a feszültségarány közvetlenül összefügg a tekercsfordulat arányával. A kapcsolóüzemű tápegységben a végső transzformátor kialakítása függ az átalakító topológiájától, a kapcsolási frekvenciától, a munkaciklustól, a hullámformától, az egyenirányítási módszertől, a mágneses magtól és az üzemi feszültségtartománytól is.
A nagyfrekvenciás transzformátorral vagy kapcsolóüzemű tápegység-transzformátorral dolgozó mérnökök és OEM-vásárlók számára ezeknek a kapcsolatoknak a megértése hatékonyabbá teheti a transzformátor kiválasztását és az egyedi fejlesztést.
1. Mi az a transzformátor fordulatszáma?
A transzformátor fordulatszáma az elsődleges tekercs fordulatszáma és a szekunder tekercs fordulatszáma közötti kapcsolatot írja le.
Az ideális transzformátorhoz:
Vp / Vs=Np / Ns
Ahol:
Vp=Elsődleges feszültség
Vs=Másodlagos feszültség
Np=Elsődleges körök
Ns=Másodlagos körök
Például, ha az elsődleges feszültség 400 V, a szükséges szekunder feszültség pedig 40 V:
400 / 40 = 10
Az alapvető elsődleges -másodlagos-fordulatok aránya tehát a következő:
Np : Ns=10 : 1
Ez a számítás megadja az alapvető feszültség összefüggést. Ez önmagában nem határozza meg egy praktikus táptranszformátor végső tekercselési kialakítását.
2. Az alapvető fordulatok arányának kiszámítása
A legegyszerűbb számítás a primer és szekunder feszültségen alapul.
Fordulatszám=elsődleges feszültség / szekunder feszültség
Vegyünk például egy transzformátort a következőkkel:
Elsődleges feszültség: 240 V
Másodlagos feszültség: 24 V
Az alapvető fordulatok aránya:
240 / 24 = 10
Ezért:
Np : Ns=10 : 1
Ha az elsődleges tekercs 200 fordulatot tartalmaz, akkor az elméleti szekunder tekercs a következőket tartalmazza:
200 / 10=20 fordulat
Ez ideális transzformátor számítás.
Egy tényleges transzformátor esetében a gyártónak tovább kell értékelnie a veszteségeket, az üzemi feltételeket, a mágneses fluxust, a tekercsáramot és az adott tápáramkört.
3. Elsődleges-–-másodlagos fordulatok aránya a kapcsolótápegységekben
A kapcsolóüzemű tápegység transzformátora másképpen működik, mint a hagyományos hálózati{0}}frekvenciás transzformátor.
A transzformátort általában egy félvezető kapcsolóáramkör által generált kapcsolt hullámforma hajtja meg. A primer tekercsre adott feszültség ezért függ a tápegység topológiájától és a kapcsolási feltételektől.
A gyakori topológiák a következők:
Flyback
Előre
Push{0}}pull
Fél{0}}híd
Teljes{0}}híd
Mivel ezek a topológiák eltérően adják át az energiát, a bemeneti feszültség, a kimeneti feszültség, a munkaciklus és a transzformátor fordulatszáma közötti kapcsolat is eltérő.
Ezért a következő számítás:
Bemeneti feszültség / kimeneti feszültség
minden kapcsolóüzemű tápegység esetében kiindulási pontként kell kezelni, nem pedig végső tervezési egyenletként.
4. Miért befolyásolja az üzemi ciklus a fordulatszámot?
Sok PWM tápegységben a kimeneti feszültséget a kapcsolási munkacikluson keresztül szabályozzák.
A munkaciklus az egyes kapcsolási periódusok százalékos aránya, amely alatt a kapcsolóáramkör energiát ad a transzformátorra.
Az egyszerűsített átalakító kapcsolat érdekében a kimeneti feszültséget a bemeneti feszültséghez, a munkaciklushoz és a fordulatszámhoz lehet viszonyítani.
A reprezentatív kapcsolat a következőképpen fejezhető ki:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Ahol:
Vout=Kimeneti feszültség
Vin=Releváns kapcsolási-fokozat bemeneti feszültsége
D=Üzemciklus
Ns/Np=másodlagos-/-elsődleges fordulat arány
A tényleges egyenlet a konverter topológiájától és az áramkör konfigurációjától függ.
Emiatt a transzformátor gyártójának ismernie kell a tápegység topológiáját, mielőtt meghatározná a végső fordulatszám arányát.
5. Figyelembe kell venni a bemeneti feszültség tartományát
Csak a névleges bemeneti feszültség használata nem megfelelő transzformátor kialakításhoz vezethet.
Például egy kapcsolóüzemű tápegység működhet a következőkről:
300-400 V DC
nem pedig egy rögzített feszültségen.
A transzformátornak ebben a tartományban megfelelően kell működnie, miközben fenntartja a szükséges kimeneti feszültséget és kerüli a túlzott mágneses fluxust.
Egyedi transzformátor fejlesztésekor a következőket kell biztosítani:
Minimális bemeneti feszültség
Névleges bemeneti feszültség
Maximális bemeneti feszültség
Maximális munkaciklus
Kapcsolási frekvencia
Szükséges kimeneti feszültség
Kimeneti áram
A fordulatszámot egy névleges érték helyett a teljes működési tartományra kell értékelni.
6. A kimeneti feszültség nem mindig egyenlő a transzformátor szekunder feszültségével
Ez az egyik leggyakoribb hiba a transzformátor fordulatszámának számításánál.
Tegyük fel, hogy egy tápegység szabályozott 12 V DC kimenetet igényel.
Ez nem feltétlenül jelenti azt, hogy a transzformátor szekunder tekercsét egyszerűen 12 V-ra kell tervezni.
A transzformátor és a végső DC kimenet között az áramkör a következőket tartalmazhatja:
Egyenirányító diódák
Szinkron egyenirányítás
Kimeneti induktorok
Kondenzátorok
Feszültségszabályozó áramkör
PCB vezetők
Ezek az alkatrészek befolyásolják a terhelés tényleges feszültségét.
A transzformátor szekunder feszültségét ezért a teljes tápellátási áramkörnek megfelelően kell meghatározni.
Egyedi nagyfrekvenciás transzformátor esetén a gyártónak meg kell kapnia a tényleges másodlagos{0}}oldali követelményeket, nem pedig csak a végső egyenáramú kimeneti feszültséget.
7. A feszültségesések befolyásolják a gyakorlati fordulatszámot
Az ideális transzformátornak nincs elektromos vesztesége. Egy igazi transzformátor igen.
A feszültségesés oka lehet:
Elsődleges tekercsellenállás
Másodlagos tekercsellenállás
Egyenirányító feszültségesése
Szivárgási induktivitás
Eszközváltási-vesztések
PCB ellenállás
Egyéb konverter veszteségek
Például, ha a végső kimenetnek 24 V-on kell maradnia terhelés alatt, előfordulhat, hogy a transzformátornak másodlagos feszültséget kell biztosítania, amely kompenzálja az áramkör többi részének feszültségveszteségét.
A kompenzáció mértéke a tápegység kialakításától és a terhelési viszonyoktól függ.
Ezért a tényleges fordulatszámot a teljes elektromos út figyelembevétele után kell megállapítani.
8. Fordulati arány és mágneses mag kialakítása
A menetarány határozza meg a tekercsek közötti feszültségviszonyt, de a fordulatok abszolút számának is kompatibilisnek kell lennie a mágneses maggal.
Nagyfrekvenciás transzformátor esetén az elsődleges fordulatokat a következők befolyásolják:
Alkalmazott feszültség
Kapcsolási frekvencia
Maximális munkaciklus
Magkeresztmetszeti terület-
Maganyag
Maximális fluxussűrűség
Váltó hullámforma
A túl kevés elsődleges fordulat túlzott mágneses fluxust eredményezhet, és potenciálisan a magot a telítettség felé terelheti.
A túl sok fordulat megnövelheti a tekercs hosszát, a rézveszteséget, a szivárgási induktivitást és a transzformátor méretét.
Ezért a transzformátor tervezése mindkettőt igényli:
A megfelelő fordulatszám
és
A fordulatok helyes abszolút száma.
Ezek összefüggenek, de nem ugyanaz a tervezési paraméter.
9. A fordulatok aránya az aktuális kapcsolatot is meghatározza
A transzformátor fordulatszáma az áramhoz és a feszültséghez is kapcsolódik.
Az ideális transzformátorhoz:
Ip / Is=Ns / Np
Ahol:
Ip=Elsődleges áram
= Másodlagos áram
Np=Elsődleges körök
Ns=Másodlagos körök
Ez azt jelenti, hogy amikor a feszültséget lecsökkentjük, a szekunder oldal általában nagyobb áramot visz ugyanazon átvitt teljesítmény mellett.
Ez közvetlen hatással van a transzformátor tekercsének kialakítására.
A gyártónak az aktuális áramerősségnek megfelelően kell kiválasztania a megfelelő vezetékméreteket és a tekercselést.
Erős{0}}áramú szekunder tekercseknél a tervezés a következőket igényelheti:
Nagyobb vezetők
Több párhuzamos vezeték
Megfelelő tekercselési rétegek
Különleges tekercselési elrendezések
Ezért a fordulatszámot mindig a teljesítmény- és áramigényekkel együtt kell figyelembe venni.
10. Példa: Tápegység fordulatszámának kiszámítása
Fontolja meg az egyszerűsített kapcsolóüzemű tápegységet:
DC bemenet: 320 V
Szükséges kimenet: 24 V
Kapcsolási topológia: fél-híd
Hozzávetőleges munkaciklus: 50%
Egy egyszerű feszültség-összehasonlítás a következőket adja:
320 / 24 = 13.33
Helytelen lenne azonban azonnal 13,33:1-es transzformátoráttételt megadni a fél-hídi működés figyelembevétele nélkül.
A transzformátor primerre ténylegesen alkalmazott feszültség, a munkaciklus, az egyenirányítási módszer, a feszültségveszteségek és a szabályozási tartomány mind befolyásolják a végső tervezést.
A transzformátor gyártója ezért a teljes tápegység-specifikációt használja a következők meghatározásához:
Megfelelő mag
Elsődleges fordulatok
Másodlagos fordulatok
A fordulatok aránya
Vezeték mérete
Tekercselés elrendezése
Szigetelő szerkezet
Várható hőmérséklet-emelkedés
Éppen ezért az egyedi transzformátorfejlesztést a tényleges átalakító tervezéssel együtt kell végrehajtani.
11. Gyakori transzformátor fordulatszám számítási hibák
1. hiba: Bemeneti feszültség és kimeneti feszültség használata végső arányként
Ez ideális kiindulópontként működik, de sok kapcsolóüzemű tápegységhez nem elegendő.
2. hiba: A konverter topológiájának figyelmen kívül hagyása
A visszarepülő, előre, fél-híd és teljes-híd konverterek eltérő feszültség- és energiaátviteli{2}}kapcsolattal rendelkeznek.
3. hiba: Az üzemi ciklus figyelmen kívül hagyása
A PWM vezérlés megváltoztatja a transzformátoron keresztül leadott effektív feszültséget és energiát.
4. hiba: Az egyenáramú kimenet összekeverése a másodlagos feszültséggel
A végső szabályozott egyenfeszültség eltérhet a transzformátor szükséges szekunder feszültségétől az egyenirányítás és egyéb áramköri veszteségek miatt.
5. hiba: A fordulatszám kiválasztása a magfluxus ellenőrzése nélkül
A megfelelő feszültségarány túlzott fluxussűrűséget eredményezhet, ha a primer fordulatok abszolút száma túl alacsony.
6. hiba: A tekercselési áram figyelmen kívül hagyása
A tekercsvezetőnek képesnek kell lennie a tápegység által generált tényleges RMS és csúcsáramok kezelésére.
12. Milyen információkat kell megadnia egy egyedi transzformátorgyártónak?
A tápegységhez egyedi transzformátor igénylésekor a teljes műszaki információ megadása segíti a gyártót a tervezés helyes értékelésében.
| Paraméter | Ajánlott információ |
|---|---|
| Alkalmazás | Kapcsoló tápegység / átalakító / töltő / ipari berendezések |
| Bemeneti feszültség | Minimum / névleges / maximum |
| Kimeneti feszültség | Szükséges kimeneti feszültség |
| Kimeneti áram | Névleges / maximum |
| Hatalom | Névleges teljesítmény |
| Topológia | Repülés vissza / előre / toló-húzás / fél-híd / teljes-híd |
| Kapcsolási frekvencia | Működési frekvencia vagy tartomány |
| Üzemi ciklus | Működési tartomány |
| Helyesbítés | Dióda / szinkron / egyéb |
| Elkülönítés | Szükséges leválasztási feszültség |
| Üzemi hőmérséklet | Környezeti és maximális hőmérséklet |
| Méretek | Maximális rendelkezésre álló hely |
| Felszerelés | PCB / átmenő-lyuk / egyéb |
| Mennyiség | Prototípus / kis tétel / tömeggyártás |
Az OEM-projektek esetében ezek a paraméterek elegendő információt adnak a nagyfrekvenciás transzformátor gyártójának ahhoz, hogy értékelje a mágneses és a tekercselést, ahelyett, hogy a hiányos feszültségspecifikációkra hagyatkozna.
13. Mikor érdemes transzformátorgyártóval dolgozni?
A szabványos transzformátor akkor lehet megfelelő, ha a feszültség, a teljesítmény, a frekvencia, a méretek és a szerelési követelmények már megfelelnek egy meglévő kialakításnak.
Az OEM berendezések esetében azonban előfordulhat, hogy a transzformátort a tényleges tápegységhez kell igazítani.
Az egyedi transzformátorgyártó értékelheti:
Mágneses mag kiválasztása
Elsődleges és másodlagos fordulatok
Tekercsszerkezet
Vezeték kiválasztása
Szigetelés
Szivárgási induktivitás
Hőmérséklet emelkedés
Mechanikai méretek
Gyártás megvalósíthatósága
Ez különösen akkor fontos, ha a transzformátornak egy adott NYÁK-hoz kell illeszkednie, vagy meghatározott hatékonysági és hőmérsékleti tartományon belül kell működnie.
Következtetés
A transzformátor fordulatszámának kiszámítása a primer és szekunder feszültség kapcsolatával kezdődik:
Vp / Vs=Np / Ns
Ez az ideális kapcsolat azonban csak a kiindulópontja egy praktikus táptranszformátornak.
A kapcsolási alkalmazásoknál a végső tervezésnek figyelembe kell vennie az átalakító topológiáját, a munkaciklust, a bemeneti feszültségtartományt, az egyenirányítást, a feszültségveszteségeket, a kapcsolási frekvenciát, a mágneses magot, a fluxussűrűséget, a tekercsáramot és a hőviszonyokat.
Nagyfrekvenciás transzformátor esetén a megfelelő fordulatszámot és az abszolút fordulatszámot együtt kell kialakítani. A megfelelő kialakításnak biztosítania kell a szükséges feszültségtranszformációt, miközben a mágneses fluxust, a tekercselési veszteségeket, a hőmérséklet-emelkedést és az általános méreteket az alkalmazási követelményeken belül kell tartania.
Az OEM és egyedi tápellátási projektek esetében a teljes elektromos és mechanikai specifikációkkal való ellátás a transzformátor gyártója számára a legmegbízhatóbb módja a megfelelő primer és szekunder tekercs kialakításának meghatározásának.
Kulcs elvitelek
A transzformátor fordulatszámának kiszámításakor mindig vegye figyelembe:
- Primer és szekunder feszültség
- Bemeneti feszültség tartomány
- Átalakító topológia
- Üzemi ciklus
- Kapcsolási frekvencia
- Helyreigazítási módszer
- Feszültségesések és áramköri veszteségek
- Mágneses mag és fluxussűrűség
- Primer és szekunder áram
- Szigetelési és hőtechnikai követelmények
A fordulatszám határozza meg az alapfeszültség viszonyt, de a teljes transzformátor-konstrukció határozza meg, hogy az alkatrész valóban megbízhatóan fog-e működni a tápegységben.