Как рассчитать коэффициент трансформации трансформатора для источников питания

Коэффициент витков трансформатора является фундаментальным параметром, используемым для определения соотношения напряжений между первичной и вторичной обмотками. Однако для источников питания расчет правильного коэффициента трансформации требует большего, чем простое деление входного напряжения на выходное напряжение.

В обычном трансформаторе коэффициент трансформации напрямую связан с коэффициентом трансформации обмоток. В импульсном источнике питания окончательная конструкция трансформатора также зависит от топологии преобразователя, частоты переключения, рабочего цикла, формы сигнала, метода выпрямления, магнитного сердечника и диапазона рабочего напряжения.

Для инженеров и покупателей OEM, работающих с высокочастотными трансформаторами или трансформаторами импульсных источников питания, понимание этих взаимосвязей может сделать выбор трансформатора и разработку индивидуальных решений более эффективными.

1. Что такое коэффициент трансформации трансформатора?

Коэффициент витков трансформатора описывает соотношение между количеством витков первичной обмотки и количеством витков вторичной обмотки.

Для идеального трансформатора:

Вп/Вс=Нп/Нс

Где:

Vp=Первичное напряжение

Против=вторичного напряжения

Np=Первичные ходы

Ns=Второстепенные витки

Например, если первичное напряжение составляет 400 В, а необходимое вторичное напряжение составляет 40 В:

400 / 40 = 10

Таким образом, базовое соотношение витков первичной-и-вторичной обмотки равно:

Нп: Нс=10: 1

Этот расчет дает базовое соотношение напряжений. Сам по себе он не определяет окончательную конструкцию обмотки практического силового трансформатора.

2. Как рассчитать базовый коэффициент оборотов

Самый простой расчет основан на первичном и вторичном напряжении.

Коэффициент трансформации=Первичное напряжение/вторичное напряжение

Например, рассмотрим трансформатор с:

Первичное напряжение: 240 В

Вторичное напряжение: 24 В

Базовый коэффициент оборотов составляет:

240 / 24 = 10

Поэтому:

Нп: Нс=10: 1

Если первичная обмотка содержит 200 витков, теоретическая вторичная обмотка будет содержать:

200 / 10=20 оборотов

Это подходит для расчета идеального трансформатора.

Для реального трансформатора производитель должен дополнительно оценить потери, условия эксплуатации, магнитный поток, ток обмотки и конкретную схему питания.

3. Соотношение первичных-и-вторичных витков в импульсных источниках питания

Трансформатор импульсного источника питания работает иначе, чем обычный сетевой-трансформатор частоты.

Трансформатор обычно приводится в действие переключаемым сигналом, генерируемым полупроводниковой переключающей схемой. Таким образом, напряжение, подаваемое на первичную обмотку, зависит от топологии источника питания и условий переключения.

Общие топологии включают в себя:

Обратный ход

Вперед

Толкать-тянуть

Полумост-мост

Полный-мост

Поскольку эти топологии передают энергию по-разному, соотношение между входным напряжением, выходным напряжением, рабочим циклом и коэффициентом трансформации трансформатора также различается.

Именно поэтому следующий расчет:

Входное напряжение/выходное напряжение

следует рассматривать как отправную точку, а не как окончательное уравнение проектирования для каждого импульсного источника питания.

4. Почему рабочий цикл влияет на коэффициент поворота

Во многих источниках питания с ШИМ выходное напряжение контролируется посредством рабочего цикла переключения.

Рабочий цикл представляет собой процент каждого периода переключения, в течение которого схема переключения подает энергию на трансформатор.

Для упрощения зависимости преобразователя выходное напряжение может быть связано с входным напряжением, рабочим циклом и коэффициентом трансформации.

Представительские отношения могут быть выражены как:

Vout ≈ Vin×D×(Ns/Np)

Где:

Vout=Выходное напряжение

Vin=Соответствующее входное напряжение коммутационного-ступени

D=Рабочий цикл

Ns/Np=Соотношение витков вторичной-к-первичной обмотки

Фактическое уравнение зависит от топологии преобразователя и конфигурации схемы.

По этой причине производителю трансформатора необходимо знать топологию источника питания, прежде чем определять окончательный коэффициент трансформации.

5. Необходимо учитывать диапазон входного напряжения.

Использование только номинального входного напряжения может привести к неподходящей конструкции трансформатора.

Например, импульсный источник питания может работать от:

300–400 В постоянного тока

а не при одном фиксированном напряжении.

Трансформатор должен правильно работать в этом диапазоне, сохраняя необходимое выходное напряжение и избегая чрезмерного магнитного потока.

При разработке нестандартного трансформатора предусмотреть:

Минимальное входное напряжение

Номинальное входное напряжение

Максимальное входное напряжение

Максимальный рабочий цикл

Частота переключения

Требуемое выходное напряжение

Выходной ток

Коэффициент трансформации следует оценивать по всему рабочему диапазону, а не по одному номинальному значению.

6. Выходное напряжение не всегда равно вторичному напряжению трансформатора.

Это одна из самых частых ошибок при расчете коэффициента трансформации трансформатора.

Предположим, что для источника питания требуется стабилизированный выход постоянного тока 12 В.

Это не обязательно означает, что вторичная обмотка трансформатора должна быть просто рассчитана на 12 В.

Между трансформатором и окончательным выходом постоянного тока схема может содержать:

Выпрямительные диоды

Синхронное выпрямление

Выходные индукторы

Конденсаторы

Схема регулирования напряжения

Проводники печатной платы

Эти компоненты влияют на фактическое напряжение, подаваемое на нагрузку.

Поэтому вторичное напряжение трансформатора необходимо определять в соответствии со всей цепью источника питания.

Для специального высокочастотного трансформатора производитель должен получить фактические требования к вторичной-стороне, а не только конечное выходное напряжение постоянного тока.

7. Падения напряжения влияют на практический коэффициент трансформации.

Идеальный трансформатор не имеет электрических потерь. Настоящий трансформер делает это.

Падение напряжения может быть вызвано:

Сопротивление первичной обмотки

Сопротивление вторичной обмотки

Падение напряжения выпрямителя

Индуктивность утечки

Коммутация-потери устройств

Сопротивление печатной платы

Другие потери преобразователя

Например, если конечное выходное напряжение должно оставаться на уровне 24 В под нагрузкой, трансформатору может потребоваться обеспечить вторичное напряжение, которое компенсирует потери напряжения в остальной части цепи.

Величина компенсации зависит от конструкции источника питания и условий нагрузки.

Следовательно, фактическое соотношение витков следует устанавливать после рассмотрения всего электрического пути.

8. Коэффициент поворота и конструкция магнитного сердечника

Коэффициент витков определяет соотношение напряжений между обмотками, но абсолютное количество витков также должно быть совместимо с магнитным сердечником.

Для высокочастотного трансформатора на витки первичной обмотки влияют:

Приложенное напряжение

Частота переключения

Максимальный рабочий цикл

Площадь поперечного сечения-сердечника

Основной материал

Максимальная плотность потока

Переключение формы сигнала

Слишком малое количество витков первичной обмотки может привести к чрезмерному магнитному потоку и потенциально привести к насыщению сердечника.

Слишком большое количество витков может увеличить длину обмотки, потери в меди, индуктивность рассеяния и размер трансформатора.

Следовательно, конструкция трансформатора требует как:

Правильное соотношение оборотов

и

Правильное абсолютное количество витков.

Они связаны, но это не один и тот же параметр конструкции.

9. Коэффициент поворотов также определяет текущие отношения

Коэффициент трансформации трансформатора зависит как от тока, так и от напряжения.

Для идеального трансформатора:

IP/Is=Ns/Np

Где:

Ip=Первичный ток

Является ли=вторичный ток

Np=Первичные ходы

Ns=Второстепенные витки

Это означает, что при понижении напряжения вторичная обмотка обычно пропускает более высокий ток при той же передаваемой мощности.

Это оказывает непосредственное влияние на конструкцию обмоток трансформатора.

Производитель должен выбрать подходящие размеры проводников и расположение намоток в соответствии с фактическим током.

Для сильноточных вторичных обмоток конструкция может потребовать:

Большие проводники

Несколько параллельных проводов

Соответствующие слои обмотки

Специальное расположение намотки

Следовательно, коэффициент трансформации всегда следует учитывать вместе с требованиями к мощности и току.

10. Пример: расчет коэффициента трансформации для источника питания.

Рассмотрим упрощенный импульсный источник питания с:

Вход постоянного тока: 320 В

Требуемый выход: 24 В

Топология коммутации: полумост-мост.

Приблизительный рабочий цикл: 50%

Простое сравнение напряжений дает:

320 / 24 = 13.33

Однако было бы неправильно сразу указывать коэффициент трансформации 13,33:1, не принимая во внимание полумостовую работу.

Напряжение, фактически приложенное к первичной обмотке трансформатора, рабочий цикл, метод выпрямления, потери напряжения и диапазон регулирования — все это влияет на окончательную конструкцию.

Поэтому производитель трансформатора будет использовать полную спецификацию источника питания, чтобы определить:

Соответствующее ядро

Первичные повороты

Вторичные повороты

Коэффициент оборотов

Размер провода

Расположение намотки

Изоляционная структура

Ожидаемое повышение температуры

Вот почему разработку трансформатора по индивидуальному заказу следует выполнять вместе с конструкцией фактического преобразователя.

11. Распространенные ошибки при расчете коэффициента трансформации трансформатора.

Ошибка 1: использование входного напряжения ÷ выходного напряжения в качестве окончательного соотношения

Это идеальная отправная точка, но недостаточная для многих применений импульсных источников питания.

Ошибка 2: игнорирование топологии преобразователя

Обратноходовые, прямоходовые, полу-мостовые и полномостовые преобразователи-мостовые имеют разные соотношения передачи напряжения и энергии-.

Ошибка 3: игнорирование рабочего цикла

ШИМ-управление изменяет эффективное напряжение и энергию, передаваемую через трансформатор.

Ошибка 4: путать выход постоянного тока со вторичным напряжением

Конечное регулируемое напряжение постоянного тока может отличаться от требуемого вторичного напряжения трансформатора из-за выпрямления и других потерь в цепи.

Ошибка 5: выбор коэффициента трансформации без проверки потока в сердечнике

Правильное соотношение напряжений все равно может привести к чрезмерной плотности потока, если абсолютное количество витков первичной обмотки слишком мало.

Ошибка 6: игнорирование тока обмотки

Проводник обмотки должен быть способен выдерживать фактические среднеквадратичные и пиковые токи, генерируемые источником питания.

12. Какую информацию следует предоставить производителю трансформаторов по индивидуальному заказу?

При заказе нестандартного трансформатора для блока питания предоставление полной технической информации помогает производителю правильно оценить конструкцию.

Для OEM-проектов эти параметры дают производителю высокочастотного трансформатора достаточно информации для оценки конструкции магнита и обмотки, вместо того чтобы полагаться на неполные характеристики напряжения.

13. Когда следует работать с производителем трансформаторов?

Стандартный трансформатор может подойти, если напряжение, мощность, частота, размеры и требования к монтажу уже соответствуют существующей конструкции.

Однако для OEM-оборудования трансформатор может потребоваться настроить в соответствии с реальным источником питания.

Производитель нестандартных трансформаторов может оценить:

Выбор магнитного сердечника

Первичные и вторичные витки

Структура обмотки

Выбор провода

Изоляция

Индуктивность утечки

Повышение температуры

Механические размеры

Технико-экономическое обоснование

Это особенно важно, когда трансформатор должен соответствовать определенной печатной плате или работать в определенном диапазоне эффективности и температуры.

Заключение

Расчет коэффициента трансформации трансформатора начинается с соотношения между первичным и вторичным напряжением:

Вп/Вс=Нп/Нс

Но это идеальное соотношение является лишь отправной точкой для практического применения трансформатора питания.

Для коммутационных приложений окончательный проект должен также учитывать топологию преобразователя, рабочий цикл, диапазон входного напряжения, выпрямление, потери напряжения, частоту переключения, магнитный сердечник, плотность потока, ток обмотки и тепловые условия.

Для высокочастотного трансформатора правильное соотношение витков и абсолютное количество витков необходимо определять вместе. Подходящая конструкция должна обеспечивать необходимое преобразование напряжения при сохранении магнитного потока, потерь в обмотке, повышения температуры и габаритных размеров в пределах требований применения.

Для OEM-проектов и заказных источников питания предоставление полных электрических и механических характеристик производителю трансформатора является наиболее надежным способом определения подходящей конструкции первичной и вторичной обмотки.

Ключевые выводы

При расчете коэффициента трансформации трансформатора всегда учитывайте:

• Первичное и вторичное напряжение
• Диапазон входного напряжения
• Топология преобразователя
• Рабочий цикл
• Частота переключения
• Метод исправления
• Падения напряжения и потери в цепи
• Магнитопровод и плотность потока
• Первичный и вторичный ток
• Изоляционные и тепловые требования

Коэффициент трансформации определяет базовое соотношение напряжения, но вся конструкция трансформатора определяет, будет ли компонент действительно надежно работать в источнике питания.