Hur man beräknar transformatorvarvförhållande för strömförsörjningsapplikationer

Transformatorns varvförhållande är en grundläggande parameter som används för att bestämma spänningsförhållandet mellan primär- och sekundärlindningarna. För strömförsörjningstillämpningar kräver dock beräkningen av det korrekta varvförhållandet mer än att bara dividera inspänningen med utspänningen.

I en konventionell transformator är spänningsförhållandet direkt relaterat till lindningsvarvförhållandet. I en switchande strömförsörjning beror den slutliga transformatordesignen också på omvandlarens topologi, switchfrekvens, arbetscykel, vågform, likriktningsmetod, magnetisk kärna och driftspänningsområde.

För ingenjörer och OEM-köpare som arbetar med en högfrekvenstransformator eller omkopplande strömförsörjningstransformator kan en förståelse för dessa relationer göra transformatorval och anpassad utveckling effektivare.

1. Vad är Transformer Turns Ratio?

Transformatorvarvförhållandet beskriver förhållandet mellan antalet varv på primärlindningen och antalet varv på sekundärlindningen.

För en idealisk transformator:

Vp/Vs=Np/Ns

Där:

Vp=Primär spänning

Vs=Sekundär spänning

Np=Primära svängar

Ns=Sekundära varv

Till exempel, om primärspänningen är 400 V och den erforderliga sekundära spänningen är 40 V:

400 / 40 = 10

Det grundläggande förhållandet mellan primära-till-sekundära varv är därför:

Np : Ns=10 : 1

Denna beräkning ger det grundläggande spänningsförhållandet. Den bestämmer inte i sig den slutliga lindningsdesignen för en praktisk strömförsörjningstransformator.

2. Hur man beräknar det grundläggande varvförhållandet

Den enklaste beräkningen baseras på primär- och sekundärspänningen.

Varvförhållande=Primär spänning/sekundär spänning

Tänk till exempel på en transformator med:

Primärspänning: 240 V

Sekundärspänning: 24 V

Det grundläggande varvförhållandet är:

240 / 24 = 10

Därför:

Np : Ns=10 : 1

Om primärlindningen innehåller 200 varv, skulle den teoretiska sekundärlindningen innehålla:

200 / 10=20 varv

Detta är lämpligt som en idealisk transformatorberäkning.

För en faktisk transformator måste tillverkaren ytterligare utvärdera förluster, driftsförhållanden, magnetiskt flöde, lindningsström och den specifika strömförsörjningskretsen.

3. Primär-till-sekundär varvförhållande vid byte av strömförsörjning

En transformator för strömförsörjning fungerar annorlunda än en konventionell-nätfrekvenstransformator.

Transformatorn drivs normalt av en omkopplad vågform som genereras av en halvledaromkopplingskrets. Spänningen som appliceras på primärlindningen beror därför på strömförsörjningens topologi och omkopplingsförhållanden.

Vanliga topologier inkluderar:

Flyback

Fram

Tryck-drag

Halv-bro

Full-brygga

Eftersom dessa topologier överför energi på olika sätt, skiljer sig också förhållandet mellan inspänning, utspänning, arbetscykel och transformatorvarvsförhållande.

Det är därför följande beräkning:

Ingångsspänning / Utspänning

bör behandlas som en utgångspunkt snarare än den slutliga designekvationen för varje strömförsörjning.

4. Varför arbetscykeln påverkar svängförhållandet

I många PWM-strömförsörjningar styrs utspänningen genom omkopplingsdriftcykeln.

Arbetscykeln representerar procentandelen av varje kopplingsperiod under vilken kopplingskretsen tillför energi till transformatorn.

För ett förenklat omvandlarförhållande kan utspänningen relateras till ingångsspänningen, arbetscykeln och varvförhållandet.

Ett representativt förhållande kan uttryckas som:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

Där:

Vout=Utspänning

Vin=Relevant kopplings-stegs inspänning

D=Arbetscykel

Ns/Np=Sekundärt-till-primärt varvförhållande

Den faktiska ekvationen beror på omvandlartopologin och kretskonfigurationen.

Av denna anledning måste en transformatortillverkare känna till strömförsörjningstopologin innan den bestämmer det slutliga varvförhållandet.

5. Ingångsspänningsområde måste beaktas

Användning av endast den nominella inspänningen kan leda till en olämplig transformatorkonstruktion.

Till exempel kan en switchande strömförsörjning fungera från:

300–400 V DC

snarare än vid en fast spänning.

Transformatorn måste fungera korrekt över detta område samtidigt som den bibehåller den erforderliga utspänningen och undviker överdrivet magnetiskt flöde.

När du utvecklar en anpassad transformator, tillhandahåll:

Minsta inspänning

Nominell inspänning

Maximal inspänning

Maximal arbetscykel

Växlingsfrekvens

Erforderlig utspänning

Utström

Varvförhållandet bör utvärderas mot hela driftsområdet snarare än ett nominellt värde.

6. Utspänningen är inte alltid lika med transformatorns sekundära spänning

Detta är ett av de vanligaste misstagen i beräkningar av transformatorvarvförhållande.

Antag att en strömkälla kräver en reglerad 12 V DC-utgång.

Det betyder inte nödvändigtvis att transformatorns sekundärlindning helt enkelt ska vara konstruerad för 12 V.

Mellan transformatorn och den slutliga DC-utgången kan kretsen innehålla:

Likriktardioder

Synkron likriktning

Utgångsspoler

Kondensatorer

Spänningsregleringskretsar

PCB ledare

Dessa komponenter påverkar den faktiska spänningen som levereras till lasten.

Transformatorns sekundära spänning måste därför bestämmas enligt hela strömförsörjningskretsen.

För en anpassad högfrekvenstransformator bör tillverkaren få de faktiska sekundära-kraven snarare än bara den slutliga DC-utgångsspänningen.

7. Spänningsfall påverkar det praktiska varvförhållandet

En idealisk transformator har inga elektriska förluster. En riktig transformator gör det.

Spänningsfall kan bero på:

Primärt lindningsmotstånd

Sekundärt lindningsmotstånd

Likriktarens spänningsfall

Läckageinduktans

Byte av-enhetsförluster

PCB motstånd

Andra omvandlarförluster

Till exempel, om den slutliga utgången måste ligga kvar på 24 V under belastning, kan transformatorn behöva tillhandahålla en sekundär spänning som kompenserar för spänningsförlusterna i resten av kretsen.

Kompensationsbeloppet beror på nätaggregatets design och belastningsförhållanden.

Därför bör det faktiska varvförhållandet fastställas efter att ha beaktat den fullständiga elektriska vägen.

8. Vridförhållande och magnetisk kärndesign

Varvförhållandet bestämmer spänningsförhållandet mellan lindningarna, men det absoluta antalet varv måste också vara kompatibelt med den magnetiska kärnan.

För en högfrekvenstransformator påverkas de primära varven av:

Tillämpad spänning

Växlingsfrekvens

Maximal arbetscykel

Kärnan-tvärsnittsarea

Kärnmaterial

Maximal flödestäthet

Växla vågform

För få primärvarv kan resultera i överdrivet magnetiskt flöde och potentiellt driva kärnan mot mättnad.

För många varv kan öka lindningslängden, kopparförlusten, läckinduktansen och transformatorstorleken.

Därför kräver transformatordesign både:

Rätt varvförhållande

och

The correct absolute number of turns.

These are related, but they are not the same design parameter.

9. Varvförhållande bestämmer också det aktuella förhållandet

Transformatorns varvförhållande är relaterat till ström såväl som spänning.

För en idealisk transformator:

IP/Är=Ns/Np

Där:

IP=Primärström

Är=Sekundärström

Np=Primära svängar

Ns=Sekundära varv

Detta innebär att när spänningen sänks, bär sekundärsidan i allmänhet en högre ström för samma överförda effekt.

Detta har en direkt effekt på transformatorlindningens design.

Tillverkaren måste välja lämpliga ledardimensioner och lindningsarrangemang enligt den faktiska strömmen.

För sekundärlindningar med hög-ström kan konstruktionen kräva:

Större ledare

Flera parallella ledningar

Lämpliga lindningslager

Speciella lindningsarrangemang

Därför bör varvförhållande alltid beaktas tillsammans med effekt- och strömkrav.

10. Exempel: Beräkna varvförhållande för en strömförsörjning

Överväg en förenklad strömförsörjning med:

DC-ingång: 320 V

Erforderlig effekt: 24 V

Växlingstopologi: halv-brygga

Ungefärlig arbetscykel: 50 %

En enkel spänningsjämförelse ger:

320 / 24 = 13.33

Det skulle dock vara felaktigt att omedelbart ange ett transformatorförhållande på 13,33:1 utan att ta hänsyn till halv-bryggoperationen.

Spänningen som faktiskt appliceras på transformatorns primära, arbetscykel, likriktningsmetod, spänningsförluster och regleringsområde påverkar alla den slutliga konstruktionen.

Transformatortillverkaren skulle därför använda den fullständiga strömförsörjningsspecifikationen för att fastställa:

Lämplig kärna

Primära svängar

Sekundära svängar

Varvförhållande

Trådstorlek

Lindningsarrangemang

Isoleringsstruktur

Förväntad temperaturhöjning

Det är därför anpassad transformatorutveckling bör utföras tillsammans med den faktiska omvandlardesignen.

11. Vanliga beräkningsmisstag för transformatorvarvförhållande

Misstag 1: Använda ingångsspänning ÷ utgångsspänning som slutförhållande

Detta fungerar som en idealisk utgångspunkt men är inte tillräckligt för många strömförsörjningsapplikationer.

Misstag 2: Ignorera omvandlartopologi

Flyback-, framåt-, halv--brygga och hel-bryggomvandlare har olika spännings- och energiöverföringsförhållanden-.

Misstag 3: Ignorera arbetscykeln

PWM-styrning ändrar den effektiva spänningen och energin som levereras genom transformatorn.

Misstag 4: Förvirrande DC-utgång med sekundärspänning

Den slutliga reglerade likspänningen kan skilja sig från den erforderliga sekundärspänningen på transformatorn på grund av likriktning och andra kretsförluster.

Misstag 5: Att välja svängförhållande utan att kontrollera kärnflödet

Ett korrekt spänningsförhållande kan fortfarande resultera i för hög flödestäthet om det absoluta antalet primärvarv är för lågt.

Misstag 6: Ignorera lindningsström

Lindningsledaren måste kunna hantera den faktiska RMS och toppströmmar som genereras av strömförsörjningen.

12. Vilken information bör du ge en anpassad transformatortillverkare?

När du begär en anpassad transformator för en strömförsörjning hjälper tillhandahållande av fullständig teknisk information tillverkaren att utvärdera designen korrekt.

För OEM-projekt ger dessa parametrar en högfrekvent transformatortillverkare tillräckligt med information för att utvärdera magnet- och lindningsdesignen istället för att förlita sig på ofullständiga spänningsspecifikationer.

13. När ska du arbeta med en transformatortillverkare?

En standardtransformator kan vara lämplig när spänning, effekt, frekvens, dimensioner och monteringskrav redan matchar en befintlig design.

För OEM-utrustning kan transformatorn dock behöva anpassas kring själva strömförsörjningen.

En anpassad transformatortillverkare kan utvärdera:

Val av magnetisk kärna

Primära och sekundära svängar

Slingrande struktur

Val av tråd

Isolering

Läckageinduktans

Temperaturhöjning

Mekaniska mått

Genomförbarhet för produktion

Detta är särskilt viktigt när transformatorn måste passa ett specifikt kretskort eller arbeta inom ett definierat effektivitets- och temperaturområde.

Slutsats

Att beräkna ett transformatorvarvförhållande börjar med förhållandet mellan primär och sekundär spänning:

Vp/Vs=Np/Ns

Men detta idealiska förhållande är bara utgångspunkten för en praktisk kraftförsörjningstransformator.

För kopplingstillämpningar måste den slutliga konstruktionen också beakta omvandlartopologi, arbetscykel, inspänningsområde, likriktning, spänningsförluster, kopplingsfrekvens, magnetisk kärna, flödestäthet, lindningsström och termiska förhållanden.

För en högfrekvenstransformator måste det korrekta varvförhållandet och det absoluta antalet varv utvecklas tillsammans. En lämplig design bör ge den erforderliga spänningstransformationen samtidigt som magnetiskt flöde, lindningsförluster, temperaturökning och övergripande dimensioner hålls inom applikationskraven.

För OEM- och skräddarsydda strömförsörjningsprojekt är leverans av kompletta elektriska och mekaniska specifikationer till transformatortillverkaren det mest tillförlitliga sättet att bestämma lämplig primär och sekundär lindningsdesign.

Viktiga takeaways

När du beräknar ett transformatorvarvförhållande, överväg alltid:

• Primär och sekundär spänning
• Ingångsspänningsområde
• Omvandlartopologi
• Arbetscykel
• Växlingsfrekvens
• Rättningsmetod
• Spänningsfall och kretsförluster
• Magnetisk kärna och flödestäthet
• Primär och sekundär ström
• Isolerings- och värmekrav

Varvförhållandet fastställer det grundläggande spänningsförhållandet, men den fullständiga transformatorkonstruktionen avgör om komponenten faktiskt kommer att fungera tillförlitligt i strömförsörjningen.