Ο λόγος στροφών του μετασχηματιστή είναι μια θεμελιώδης παράμετρος που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της σχέσης τάσης μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος τυλίγματος. Για εφαρμογές τροφοδοσίας, ωστόσο, ο υπολογισμός της σωστής αναλογίας στροφών απαιτεί περισσότερα από τη διαίρεση της τάσης εισόδου με την τάση εξόδου.
Σε έναν συμβατικό μετασχηματιστή, η αναλογία τάσης σχετίζεται άμεσα με την αναλογία στροφών περιέλιξης. Σε ένα τροφοδοτικό μεταγωγής, ο τελικός σχεδιασμός του μετασχηματιστή εξαρτάται επίσης από την τοπολογία του μετατροπέα, τη συχνότητα μεταγωγής, τον κύκλο λειτουργίας, την κυματομορφή, τη μέθοδο ανόρθωσης, τον μαγνητικό πυρήνα και το εύρος τάσης λειτουργίας.
Για μηχανικούς και αγοραστές OEM που εργάζονται με μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας ή μετασχηματιστή τροφοδοσίας μεταγωγής, η κατανόηση αυτών των σχέσεων μπορεί να κάνει την επιλογή μετασχηματιστή και την προσαρμοσμένη ανάπτυξη πιο αποτελεσματική.
1. Τι είναι ο λόγος στροφών μετασχηματιστή;
Ο λόγος στροφών του μετασχηματιστή περιγράφει τη σχέση μεταξύ του αριθμού των στροφών στο πρωτεύον τύλιγμα και του αριθμού των στροφών στο δευτερεύον τύλιγμα.
Για έναν ιδανικό μετασχηματιστή:
Vp / Vs=Np / Ns
Οπου:
Vp=Πρωτεύουσα τάση
Vs=Δευτερεύουσα τάση
Np=Κύριες στροφές
Ns=Δευτερεύουσες στροφές
Για παράδειγμα, εάν η κύρια τάση είναι 400 V και η απαιτούμενη δευτερεύουσα τάση είναι 40 V:
400 / 40 = 10
Επομένως, η βασική αναλογία κύριας-προς-δευτερεύουσας στροφών είναι:
Np : Ns=10 : 1
Αυτός ο υπολογισμός παρέχει τη βασική σχέση τάσης. Δεν καθορίζει, από μόνο του, τον τελικό σχεδιασμό περιέλιξης ενός πρακτικού μετασχηματιστή τροφοδοσίας ρεύματος.
2. Πώς να υπολογίσετε την αναλογία βασικών στροφών
Ο απλούστερος υπολογισμός βασίζεται στην κύρια και δευτερεύουσα τάση.
Αναλογία στροφών=Πρωτεύουσα τάση / Δευτερεύουσα τάση
Για παράδειγμα, σκεφτείτε έναν μετασχηματιστή με:
Πρωτεύουσα τάση: 240 V
Δευτερεύουσα τάση: 24 V
Η βασική αναλογία στροφών είναι:
240 / 24 = 10
Επομένως:
Np : Ns=10 : 1
Εάν η κύρια περιέλιξη περιέχει 200 στροφές, η θεωρητική δευτερεύουσα περιέλιξη θα περιέχει:
200 / 10=20 στροφές
Αυτό είναι κατάλληλο ως ιδανικός υπολογισμός μετασχηματιστή.
Για έναν πραγματικό μετασχηματιστή, ο κατασκευαστής πρέπει να αξιολογήσει περαιτέρω τις απώλειες, τις συνθήκες λειτουργίας, τη μαγνητική ροή, το ρεύμα περιέλιξης και το συγκεκριμένο κύκλωμα τροφοδοσίας.
3. Λόγος βασικών-προς-δευτερεύουσες στροφές στην εναλλαγή τροφοδοτικών
Ένας μετασχηματιστής τροφοδοσίας μεταγωγής λειτουργεί διαφορετικά από έναν συμβατικό μετασχηματιστή συχνότητας δικτύου-.
Ο μετασχηματιστής συνήθως κινείται από μια μεταγωγή κυματομορφής που παράγεται από ένα κύκλωμα μεταγωγής ημιαγωγών. Επομένως, η τάση που εφαρμόζεται στο πρωτεύον τύλιγμα εξαρτάται από την τοπολογία τροφοδοσίας και τις συνθήκες μεταγωγής.
Οι κοινές τοπολογίες περιλαμβάνουν:
Κίνηση επιστροφής
Προς τα εμπρός
Σπρώξτε-τραβήξτε
Μισή-γέφυρα
Γεμάτη-γέφυρα
Επειδή αυτές οι τοπολογίες μεταφέρουν ενέργεια διαφορετικά, η σχέση μεταξύ της τάσης εισόδου, της τάσης εξόδου, του κύκλου λειτουργίας και του λόγου στροφών του μετασχηματιστή διαφέρει επίσης.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο ακόλουθος υπολογισμός:
Τάση εισόδου / Τάση εξόδου
θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως σημείο εκκίνησης και όχι ως η τελική εξίσωση σχεδιασμού για κάθε τροφοδοτικό μεταγωγής.
4. Γιατί ο κύκλος εργασίας επηρεάζει την αναλογία στροφών
Σε πολλά τροφοδοτικά PWM, η τάση εξόδου ελέγχεται μέσω του κύκλου λειτουργίας μεταγωγής.
Ο κύκλος λειτουργίας αντιπροσωπεύει το ποσοστό κάθε περιόδου μεταγωγής κατά την οποία το κύκλωμα μεταγωγής εφαρμόζει ενέργεια στον μετασχηματιστή.
Για μια απλοποιημένη σχέση μετατροπέα, η τάση εξόδου μπορεί να συσχετιστεί με την τάση εισόδου, τον κύκλο λειτουργίας και τον λόγο στροφών.
Μια αντιπροσωπευτική σχέση μπορεί να εκφραστεί ως:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Οπου:
Vout=Τάση εξόδου
Vin=Σχετική εναλλαγή-στάδιο τάσης εισόδου
D=Κύκλος εργασίας
Αναλογία NS/Np=Δευτερεύουσες-προς-κύριες στροφές
Η πραγματική εξίσωση εξαρτάται από την τοπολογία του μετατροπέα και τη διαμόρφωση του κυκλώματος.
Για το λόγο αυτό, ένας κατασκευαστής μετασχηματιστή πρέπει να γνωρίζει την τοπολογία τροφοδοσίας πριν καθορίσει την αναλογία τελικών στροφών.
5. Πρέπει να ληφθεί υπόψη το εύρος τάσης εισόδου
Η χρήση μόνο της ονομαστικής τάσης εισόδου μπορεί να οδηγήσει σε ακατάλληλη σχεδίαση μετασχηματιστή.
Για παράδειγμα, ένα τροφοδοτικό μεταγωγής μπορεί να λειτουργεί από:
300–400 V DC
παρά σε μια σταθερή τάση.
Ο μετασχηματιστής πρέπει να λειτουργεί σωστά σε αυτό το εύρος διατηρώντας την απαιτούμενη τάση εξόδου και αποφεύγοντας την υπερβολική μαγνητική ροή.
Κατά την ανάπτυξη ενός προσαρμοσμένου μετασχηματιστή, παρέχετε:
Ελάχιστη τάση εισόδου
Ονομαστική τάση εισόδου
Μέγιστη τάση εισόδου
Μέγιστος κύκλος λειτουργίας
Συχνότητα εναλλαγής
Απαιτούμενη τάση εξόδου
Ρεύμα εξόδου
Ο λόγος στροφών θα πρέπει να αξιολογείται σε σχέση με το πλήρες εύρος λειτουργίας και όχι με μια ονομαστική τιμή.
6. Η τάση εξόδου δεν είναι πάντα ίση με τη δευτερεύουσα τάση του μετασχηματιστή
Αυτό είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα λάθη στους υπολογισμούς του λόγου στροφών του μετασχηματιστή.
Ας υποθέσουμε ότι ένα τροφοδοτικό απαιτεί μια ρυθμιζόμενη έξοδο 12 V DC.
Δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή πρέπει απλώς να είναι σχεδιασμένη για 12 V.
Μεταξύ του μετασχηματιστή και της τελικής εξόδου DC, το κύκλωμα μπορεί να περιέχει:
Ανορθωτικές δίοδοι
Σύγχρονη διόρθωση
Επαγωγείς εξόδου
Πυκνωτές
Κύκλωμα ρύθμισης τάσης
αγωγοί PCB
Αυτά τα εξαρτήματα επηρεάζουν την πραγματική τάση που παρέχεται στο φορτίο.
Επομένως, η δευτερεύουσα τάση του μετασχηματιστή πρέπει να προσδιορίζεται σύμφωνα με το πλήρες κύκλωμα τροφοδοσίας.
Για έναν προσαρμοσμένο μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας, ο κατασκευαστής θα πρέπει να λάβει τις πραγματικές δευτερεύουσες-πλευρικές απαιτήσεις και όχι μόνο την τελική τάση εξόδου DC.
7. Οι πτώσεις τάσης επηρεάζουν την αναλογία πρακτικών στροφών
Ένας ιδανικός μετασχηματιστής δεν έχει ηλεκτρικές απώλειες. Ένας πραγματικός μετασχηματιστής το κάνει.
Οι πτώσεις τάσης μπορεί να προκληθούν από:
Πρωτογενής αντίσταση περιέλιξης
Δευτερεύουσα αντίσταση περιέλιξης
Πτώση τάσης ανορθωτή
Επαγωγή διαρροής
Εναλλαγή-απωλειών συσκευής
Αντίσταση PCB
Άλλες απώλειες μετατροπέα
Για παράδειγμα, εάν η τελική έξοδος πρέπει να παραμείνει στα 24 V υπό φορτίο, ο μετασχηματιστής μπορεί να χρειαστεί να παρέχει μια δευτερεύουσα τάση που αντισταθμίζει τις απώλειες τάσης στο υπόλοιπο κύκλωμα.
Το ποσό της αντιστάθμισης εξαρτάται από τον σχεδιασμό του τροφοδοτικού και τις συνθήκες φορτίου.
Επομένως, η πραγματική αναλογία στροφών θα πρέπει να καθοριστεί αφού ληφθεί υπόψη η πλήρης ηλεκτρική διαδρομή.
8. Αναλογία στροφών και σχεδιασμός μαγνητικού πυρήνα
Ο λόγος στροφών καθορίζει τη σχέση τάσης μεταξύ των περιελίξεων, αλλά ο απόλυτος αριθμός στροφών πρέπει επίσης να είναι συμβατός με τον μαγνητικό πυρήνα.
Για έναν μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας, οι πρωτεύουσες στροφές επηρεάζονται από:
Εφαρμοσμένη τάση
Συχνότητα εναλλαγής
Μέγιστος κύκλος λειτουργίας
Κεντρική περιοχή διατομής-
Υλικό πυρήνα
Μέγιστη πυκνότητα ροής
Εναλλαγή κυματομορφής
Πολύ λίγες πρωτεύουσες στροφές μπορεί να οδηγήσουν σε υπερβολική μαγνητική ροή και ενδεχομένως να οδηγήσουν τον πυρήνα προς τον κορεσμό.
Οι πάρα πολλές στροφές μπορούν να αυξήσουν το μήκος περιέλιξης, την απώλεια χαλκού, την επαγωγή διαρροής και το μέγεθος του μετασχηματιστή.
Επομένως, ο σχεδιασμός του μετασχηματιστή απαιτεί και τα δύο:
Η σωστή αναλογία στροφών
και
Ο σωστός απόλυτος αριθμός στροφών.
Αυτά σχετίζονται, αλλά δεν είναι η ίδια παράμετρος σχεδιασμού.
9. Ο λόγος στροφών Καθορίζει επίσης την τρέχουσα σχέση
Ο λόγος στροφών του μετασχηματιστή σχετίζεται με το ρεύμα καθώς και με την τάση.
Για έναν ιδανικό μετασχηματιστή:
Ip / Είναι=Ns / Np
Οπου:
Ip=Πρωτεύον ρεύμα
Είναι=Δευτερεύον τρέχον
Np=Κύριες στροφές
Ns=Δευτερεύουσες στροφές
Αυτό σημαίνει ότι όταν η τάση μειώνεται, η δευτερεύουσα πλευρά μεταφέρει γενικά υψηλότερο ρεύμα για την ίδια μεταφερόμενη ισχύ.
Αυτό έχει άμεση επίδραση στη σχεδίαση της περιέλιξης του μετασχηματιστή.
Ο κατασκευαστής πρέπει να επιλέξει κατάλληλες διαστάσεις αγωγού και διατάξεις περιέλιξης σύμφωνα με το πραγματικό ρεύμα.
Για δευτερεύουσες περιελίξεις με υψηλό-ρεύμα, ο σχεδιασμός μπορεί να απαιτεί:
Μεγαλύτεροι αγωγοί
Πολλαπλά παράλληλα καλώδια
Κατάλληλες στρώσεις περιέλιξης
Ειδικές ρυθμίσεις περιέλιξης
Επομένως, η αναλογία στροφών πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη μαζί με τις απαιτήσεις ισχύος και ρεύματος.
10. Παράδειγμα: Υπολογισμός αναλογίας στροφών για τροφοδοτικό
Εξετάστε ένα απλοποιημένο τροφοδοτικό μεταγωγής με:
Είσοδος DC: 320 V
Απαιτούμενη έξοδος: 24 V
Τοπολογία εναλλαγής: μισή-γέφυρα
Κατά προσέγγιση κύκλος λειτουργίας: 50%
Μια απλή σύγκριση τάσης δίνει:
320 / 24 = 13.33
Ωστόσο, θα ήταν λάθος να προσδιορίσετε αμέσως μια αναλογία μετασχηματιστή 13,33:1 χωρίς να λάβετε υπόψη τη λειτουργία μισής- γέφυρας.
Η τάση που εφαρμόζεται πραγματικά στον πρωτεύοντα μετασχηματιστή, ο κύκλος λειτουργίας, η μέθοδος διόρθωσης, οι απώλειες τάσης και το εύρος ρύθμισης επηρεάζουν τον τελικό σχεδιασμό.
Επομένως, ο κατασκευαστής του μετασχηματιστή θα χρησιμοποιήσει την πλήρη προδιαγραφή τροφοδοσίας για να καθορίσει:
Κατάλληλος πυρήνας
Πρωτογενείς στροφές
Δευτερεύουσες στροφές
Αναλογία στροφών
Μέγεθος σύρματος
Διάταξη περιέλιξης
Μονωτική δομή
Αναμενόμενη άνοδος της θερμοκρασίας
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η προσαρμοσμένη ανάπτυξη μετασχηματιστή θα πρέπει να εκτελείται μαζί με τον πραγματικό σχεδιασμό του μετατροπέα.
11. Κοινά λάθη υπολογισμού αναλογίας στροφών μετασχηματιστή
Λάθος 1: Χρήση τάσης εισόδου ÷ τάσης εξόδου ως τελικής αναλογίας
Αυτό λειτουργεί ως ιδανικό σημείο εκκίνησης, αλλά δεν επαρκεί για πολλές εφαρμογές τροφοδοσίας μεταγωγής.
Λάθος 2: Παράβλεψη τοπολογίας μετατροπέα
Οι μετατροπείς Flyback, Forward, μισής-γέφυρας και πλήρους-γέφυρας έχουν διαφορετικές σχέσεις μεταφοράς τάσης και ενέργειας-.
Λάθος 3: Αγνοώντας τον κύκλο εργασίας
Ο έλεγχος PWM αλλάζει την ενεργή τάση και την ενέργεια που παρέχεται μέσω του μετασχηματιστή.
Λάθος 4: Σύγχυση της εξόδου DC με τη δευτερεύουσα τάση
Η τελική ρυθμιζόμενη τάση DC μπορεί να διαφέρει από την απαιτούμενη δευτερεύουσα τάση του μετασχηματιστή λόγω ανόρθωσης και άλλων απωλειών κυκλώματος.
Λάθος 5: Επιλογή αναλογίας στροφών χωρίς έλεγχο της ροής πυρήνα
Μια σωστή αναλογία τάσης μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολική πυκνότητα ροής εάν ο απόλυτος αριθμός πρωτευουσών στροφών είναι πολύ χαμηλός.
Λάθος 6: Αγνοώντας το ρεύμα περιέλιξης
Ο αγωγός περιέλιξης πρέπει να είναι ικανός να χειρίζεται το πραγματικό RMS και τα ρεύματα αιχμής που παράγονται από το τροφοδοτικό.
12. Ποιες πληροφορίες πρέπει να δώσετε σε έναν κατασκευαστή προσαρμοσμένων μετασχηματιστών;
Όταν ζητάτε έναν προσαρμοσμένο μετασχηματιστή για τροφοδοτικό, η παροχή πλήρους τεχνικών πληροφοριών βοηθά τον κατασκευαστή να αξιολογήσει σωστά τη σχεδίαση.
| Παράμετρος | Προτεινόμενες πληροφορίες |
|---|---|
| Εφαρμογή | Τροφοδοτικό μεταγωγής / μετατροπέας / φορτιστής / βιομηχανικός εξοπλισμός |
| Τάση εισόδου | Ελάχιστο / ονομαστικό / μέγιστο |
| Τάση εξόδου | Απαιτούμενη τάση εξόδου |
| Ρεύμα εξόδου | Αξιολόγηση / μέγιστο |
| Εξουσία | Ονομαστική ισχύς |
| Τοπολογία | Flyback / forward / push-pull / half-bridge / full-bridge |
| Συχνότητα εναλλαγής | Συχνότητα ή εύρος λειτουργίας |
| Κύκλος Καθηκόντων | Εύρος λειτουργίας |
| Διόρθωση | Δίοδος / σύγχρονη / άλλο |
| Απομόνωση | Απαιτούμενη τάση απομόνωσης |
| Θερμοκρασία λειτουργίας | Περιβάλλον και μέγιστη θερμοκρασία |
| Διαστάσεις | Μέγιστος διαθέσιμος χώρος |
| Βάση | PCB / μέσω-οπής / άλλο |
| Ποσότητα | Πρωτότυπο / μικρή παρτίδα / μαζική παραγωγή |
Για έργα OEM, αυτές οι παράμετροι δίνουν στον κατασκευαστή του μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας αρκετές πληροφορίες για να αξιολογήσει τη μαγνητική σχεδίαση και την περιέλιξη αντί να βασίζεται σε ελλιπείς προδιαγραφές τάσης.
13. Πότε πρέπει να συνεργαστείτε με έναν κατασκευαστή μετασχηματιστών;
Ένας τυπικός μετασχηματιστής μπορεί να είναι κατάλληλος όταν οι απαιτήσεις τάσης, ισχύος, συχνότητας, διαστάσεων και στερέωσης ταιριάζουν ήδη με ένα υπάρχον σχέδιο.
Για εξοπλισμό OEM, ωστόσο, ο μετασχηματιστής μπορεί να χρειαστεί να προσαρμοστεί γύρω από την πραγματική παροχή ρεύματος.
Ένας κατασκευαστής προσαρμοσμένων μετασχηματιστών μπορεί να αξιολογήσει:
Επιλογή μαγνητικού πυρήνα
Πρωτογενείς και δευτερεύουσες στροφές
Δομή περιέλιξης
Επιλογή καλωδίων
Μόνωση
Επαγωγή διαρροής
Άνοδος θερμοκρασίας
Μηχανικές διαστάσεις
Σκοπιμότητα παραγωγής
Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν ο μετασχηματιστής πρέπει να ταιριάζει σε ένα συγκεκριμένο PCB ή να λειτουργεί μέσα σε ένα καθορισμένο εύρος απόδοσης και θερμοκρασίας.
Σύναψη
Ο υπολογισμός του λόγου στροφών του μετασχηματιστή ξεκινά με τη σχέση μεταξύ πρωτογενούς και δευτερεύουσας τάσης:
Vp / Vs=Np / Ns
Αλλά αυτή η ιδανική σχέση είναι μόνο το σημείο εκκίνησης για έναν πρακτικό μετασχηματιστή τροφοδοσίας.
Για εφαρμογές μεταγωγής, ο τελικός σχεδιασμός πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη την τοπολογία του μετατροπέα, τον κύκλο λειτουργίας, το εύρος τάσης εισόδου, την ανόρθωση, τις απώλειες τάσης, τη συχνότητα μεταγωγής, τον μαγνητικό πυρήνα, την πυκνότητα ροής, το ρεύμα περιέλιξης και τις θερμικές συνθήκες.
Για έναν μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας, ο σωστός λόγος στροφών και ο απόλυτος αριθμός στροφών πρέπει να αναπτυχθούν μαζί. Ένας κατάλληλος σχεδιασμός θα πρέπει να παρέχει τον απαιτούμενο μετασχηματισμό τάσης διατηρώντας παράλληλα τη μαγνητική ροή, τις απώλειες περιελίξεων, την αύξηση της θερμοκρασίας και τις συνολικές διαστάσεις εντός των απαιτήσεων εφαρμογής.
Για έργα OEM και προσαρμοσμένης παροχής ρεύματος, η παροχή πλήρων ηλεκτρικών και μηχανικών προδιαγραφών στον κατασκευαστή του μετασχηματιστή είναι ο πιο αξιόπιστος τρόπος προσδιορισμού του κατάλληλου σχεδιασμού πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος.
Βασικά Takeaways
Κατά τον υπολογισμό μιας αναλογίας στροφών μετασχηματιστή, λαμβάνετε πάντα υπόψη:
- Πρωτογενής και δευτερεύουσα τάση
- Εύρος τάσης εισόδου
- Τοπολογία μετατροπέα
- Κύκλος εργασίας
- Συχνότητα εναλλαγής
- Μέθοδος διόρθωσης
- Πτώση τάσης και απώλειες κυκλώματος
- Μαγνητικός πυρήνας και πυκνότητα ροής
- Πρωτεύον και δευτερεύον ρεύμα
- Απαιτήσεις μόνωσης και θερμότητας
Ο λόγος στροφών καθορίζει τη βασική σχέση τάσης, αλλά ο πλήρης σχεδιασμός του μετασχηματιστή καθορίζει εάν το εξάρτημα θα αποδώσει πραγματικά αξιόπιστα στην παροχή ρεύματος.