نحوه محاسبه نسبت چرخش ترانسفورماتور برای برنامه های منبع تغذیه

نسبت چرخش ترانسفورماتور یک پارامتر اساسی است که برای تعیین رابطه ولتاژ بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه استفاده می شود. با این حال، برای کاربردهای منبع تغذیه، محاسبه نسبت چرخش صحیح به چیزی بیش از تقسیم ولتاژ ورودی بر ولتاژ خروجی نیاز دارد.

در یک ترانسفورماتور معمولی، نسبت ولتاژ به طور مستقیم با نسبت پیچ های سیم پیچ ارتباط دارد. در منبع تغذیه سوئیچینگ، طراحی نهایی ترانسفورماتور به توپولوژی مبدل، فرکانس سوئیچینگ، چرخه وظیفه، شکل موج، روش یکسوسازی، هسته مغناطیسی و محدوده ولتاژ کاری بستگی دارد.

برای مهندسان و خریداران OEM که با یک ترانسفورماتور فرکانس بالا یا ترانسفورماتور منبع تغذیه سوئیچینگ کار می کنند، درک این روابط می تواند انتخاب ترانسفورماتور و توسعه سفارشی را کارآمدتر کند.

1. نسبت چرخش ترانسفورماتور چیست؟

نسبت چرخش ترانسفورماتور رابطه بین تعداد دور سیم پیچ اولیه و تعداد دور سیم پیچ ثانویه را توصیف می کند.

برای یک ترانسفورماتور ایده آل:

Vp / Vs=Np / Ns

کجا:

Vp=ولتاژ اولیه

در مقابل ولتاژ ثانویه =

Np=دورهای اولیه

Ns=چرخش ثانویه

به عنوان مثال، اگر ولتاژ اولیه 400 ولت و ولتاژ ثانویه مورد نیاز 40 ولت باشد:

400 / 40 = 10

بنابراین، نسبت چرخش اولیه اولیه به-ثانویه این است:

Np : Ns=10 : 1

این محاسبه رابطه ولتاژ پایه را ارائه می دهد. این به خودی خود طراحی سیم پیچ نهایی یک ترانسفورماتور منبع تغذیه عملی را تعیین نمی کند.

2. نحوه محاسبه نسبت چرخش های پایه

ساده ترین محاسبه بر اساس ولتاژ اولیه و ثانویه است.

نسبت چرخش=ولتاژ اولیه / ولتاژ ثانویه

به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور با:

ولتاژ اولیه: 240 ولت

ولتاژ ثانویه: 24 ولت

نسبت چرخش های اولیه عبارت است از:

240 / 24 = 10

بنابراین:

Np : Ns=10 : 1

اگر سیم پیچ اولیه دارای 200 دور باشد، سیم پیچ ثانویه نظری شامل موارد زیر خواهد بود:

200 / 10=20 نوبت

این به عنوان یک محاسبه ترانسفورماتور ایده آل مناسب است.

برای یک ترانسفورماتور واقعی، سازنده باید تلفات، شرایط عملیاتی، شار مغناطیسی، جریان سیم پیچ و مدار منبع تغذیه خاص را ارزیابی کند.

3. نسبت چرخش های اولیه به-ثانویه در منابع تغذیه سوئیچینگ

یک ترانسفورماتور منبع تغذیه سوئیچینگ متفاوت از یک ترانسفورماتور فرکانس{0} شبکه اصلی عمل می کند.

ترانسفورماتور معمولاً توسط یک شکل موج سوئیچ شده تولید شده توسط یک مدار سوئیچینگ نیمه هادی هدایت می شود. بنابراین ولتاژ اعمال شده به سیم پیچ اولیه به توپولوژی منبع تغذیه و شرایط سوئیچینگ بستگی دارد.

توپولوژی های رایج عبارتند از:

فلایبک

به جلو

فشار-کشیدن

نیم-پل

پل کامل-

از آنجایی که این توپولوژی ها انرژی را به طور متفاوتی انتقال می دهند، رابطه بین ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی، چرخه کاری و نسبت چرخش ترانسفورماتور نیز متفاوت است.

به همین دلیل است که محاسبه زیر انجام می شود:

ولتاژ ورودی / ولتاژ خروجی

باید به عنوان یک نقطه شروع به جای معادله طراحی نهایی برای هر منبع تغذیه سوئیچینگ در نظر گرفته شود.

4. چرا چرخه وظیفه بر نسبت چرخش تأثیر می گذارد

در بسیاری از منابع تغذیه PWM، ولتاژ خروجی از طریق چرخه وظیفه سوئیچینگ کنترل می شود.

چرخه وظیفه نشان دهنده درصدی از هر دوره کلیدزنی است که در طی آن مدار سوئیچینگ انرژی را به ترانسفورماتور اعمال می کند.

برای یک رابطه مبدل ساده، ولتاژ خروجی را می توان با ولتاژ ورودی، چرخه کار و نسبت چرخش مرتبط دانست.

یک رابطه نمایندگی می تواند به صورت زیر بیان شود:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

کجا:

Vout=ولتاژ خروجی

Vin=سوئیچینگ مربوطه-ولتاژ ورودی مرحله

D=چرخه کار

نسبت Ns/Np=ثانویه-به-نسبت نوبت های اولیه

معادله واقعی به توپولوژی مبدل و پیکربندی مدار بستگی دارد.

به همین دلیل، یک سازنده ترانسفورماتور باید قبل از تعیین نسبت چرخش نهایی، توپولوژی منبع تغذیه را بداند.

5. محدوده ولتاژ ورودی باید در نظر گرفته شود

فقط استفاده از ولتاژ ورودی نامی می تواند منجر به طراحی نامناسب ترانسفورماتور شود.

به عنوان مثال، منبع تغذیه سوئیچینگ ممکن است از:

300-400 ولت DC

به جای یک ولتاژ ثابت

ترانسفورماتور باید با حفظ ولتاژ خروجی مورد نیاز و اجتناب از شار مغناطیسی بیش از حد در این محدوده به درستی کار کند.

هنگام توسعه یک ترانسفورماتور سفارشی، ارائه کنید:

حداقل ولتاژ ورودی

ولتاژ ورودی اسمی

حداکثر ولتاژ ورودی

حداکثر چرخه وظیفه

فرکانس سوئیچینگ

ولتاژ خروجی مورد نیاز

جریان خروجی

نسبت چرخش باید بر اساس محدوده عملیاتی کامل به جای یک مقدار اسمی ارزیابی شود.

6. ولتاژ خروجی همیشه با ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور برابر نیست

این یکی از رایج ترین اشتباهات در محاسبات نسبت چرخش ترانسفورماتور است.

فرض کنید یک منبع تغذیه به یک خروجی 12 ولت DC تنظیم شده نیاز دارد.

لزوماً به این معنی نیست که سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور باید به سادگی برای 12 ولت طراحی شود.

بین ترانسفورماتور و خروجی DC نهایی، مدار ممکن است شامل موارد زیر باشد:

دیودهای یکسو کننده

تصحیح همزمان

سلف های خروجی

خازن ها

مدار تنظیم ولتاژ

هادی های PCB

این اجزا بر ولتاژ واقعی تحویلی به بار تأثیر می گذارند.

بنابراین ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور باید مطابق مدار منبع تغذیه کامل تعیین شود.

برای یک ترانسفورماتور فرکانس بالا سفارشی، سازنده باید الزامات جانبی ثانویه واقعی را دریافت کند نه فقط ولتاژ خروجی DC نهایی.

7. افت ولتاژ بر نسبت دورهای عملی تأثیر می گذارد

یک ترانسفورماتور ایده آل تلفات الکتریکی ندارد. یک ترانسفورماتور واقعی انجام می دهد.

افت ولتاژ می تواند ناشی از:

مقاومت سیم پیچ اولیه

مقاومت سیم پیچ ثانویه

افت ولتاژ یکسو کننده

اندوکتانس نشتی

تعویض{0}}تلفات دستگاه

مقاومت PCB

سایر تلفات مبدل

به عنوان مثال، اگر خروجی نهایی باید در 24 ولت تحت بار باقی بماند، ترانسفورماتور ممکن است نیاز به ولتاژ ثانویه داشته باشد که تلفات ولتاژ در بقیه مدار را جبران کند.

مقدار جبران بستگی به طراحی منبع تغذیه و شرایط بار دارد.

بنابراین، نسبت چرخش واقعی باید پس از در نظر گرفتن مسیر کامل الکتریکی تعیین شود.

8. نسبت چرخش و طراحی هسته مغناطیسی

نسبت چرخش ها رابطه ولتاژ بین سیم پیچ ها را تعیین می کند، اما تعداد مطلق چرخش ها نیز باید با هسته مغناطیسی سازگار باشد.

برای یک ترانسفورماتور فرکانس بالا، چرخش های اولیه تحت تأثیر موارد زیر قرار می گیرند:

ولتاژ اعمال شده

فرکانس سوئیچینگ

حداکثر چرخه وظیفه

سطح مقطع هسته-

مواد اصلی

حداکثر چگالی شار

تغییر شکل موج

چرخش های اولیه خیلی کم می تواند منجر به شار مغناطیسی بیش از حد شود و به طور بالقوه هسته را به سمت اشباع سوق دهد.

چرخش های زیاد می تواند طول سیم پیچ، تلفات مس، اندوکتانس نشتی و اندازه ترانسفورماتور را افزایش دهد.

بنابراین، طراحی ترانسفورماتور به هر دو مورد نیاز دارد:

نسبت چرخش صحیح

و

تعداد مطلق چرخش صحیح.

اینها به هم مرتبط هستند، اما پارامتر طراحی یکسان نیستند.

9. Turns Ratio همچنین رابطه جاری را تعیین می کند

نسبت چرخش ترانسفورماتور به جریان و همچنین ولتاژ مربوط می شود.

برای یک ترانسفورماتور ایده آل:

IP /=Ns / Np است

کجا:

IP=جریان اولیه

= جریان ثانویه است

Np=دورهای اولیه

Ns=چرخش ثانویه

این بدان معنی است که وقتی ولتاژ پایین می آید، سمت ثانویه معمولاً جریان بالاتری را برای همان توان انتقال یافته حمل می کند.

این امر تأثیر مستقیمی بر طراحی سیم پیچ ترانسفورماتور دارد.

سازنده باید ابعاد هادی و آرایش سیم پیچ مناسب را با توجه به جریان واقعی انتخاب کند.

برای سیم‌پیچ‌های ثانویه با جریان بالا، طراحی ممکن است نیاز داشته باشد:

هادی های بزرگتر

چند سیم موازی

لایه های سیم پیچ مناسب

ترتیبات سیم پیچی خاص

بنابراین، نسبت چرخش باید همیشه همراه با نیازهای توان و جریان در نظر گرفته شود.

10. مثال: محاسبه نسبت چرخش برای یک منبع تغذیه

یک منبع تغذیه سوئیچینگ ساده را در نظر بگیرید:

ورودی DC: 320 ولت

خروجی مورد نیاز: 24 ولت

توپولوژی سوئیچینگ: نیم-پل

چرخه کاری تقریبی: 50%

یک مقایسه ساده ولتاژ نشان می دهد:

320 / 24 = 13.33

با این حال، تعیین فورا نسبت ترانسفورماتور 13.33:1 بدون در نظر گرفتن عملیات نیم-پل، نادرست است.

ولتاژ اعمال شده در اصل ترانسفورماتور، چرخه وظیفه، روش یکسوسازی، تلفات ولتاژ و محدوده تنظیم، همگی بر طراحی نهایی تأثیر می گذارند.

بنابراین سازنده ترانسفورماتور از مشخصات کامل منبع تغذیه برای تعیین موارد زیر استفاده می کند:

هسته مناسب

چرخش های اولیه

نوبت های ثانویه

نسبت چرخش

اندازه سیم

آرایش سیم پیچ

ساختار عایق

افزایش دما مورد انتظار

به همین دلیل است که توسعه ترانسفورماتور سفارشی باید همراه با طراحی مبدل واقعی انجام شود.

11. اشتباهات رایج محاسبه نسبت چرخش ترانسفورماتور

اشتباه 1: استفاده از ولتاژ ورودی ÷ ولتاژ خروجی به عنوان نسبت نهایی

این به عنوان یک نقطه شروع ایده آل عمل می کند اما برای بسیاری از کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ کافی نیست.

اشتباه 2: نادیده گرفتن توپولوژی مبدل

مبدل‌های فلای‌بک، رو به جلو، نیم‌-پل، و-پر{1}}روابط انتقال ولتاژ و انرژی{2}} متفاوتی دارند.

اشتباه 3: نادیده گرفتن چرخه وظیفه

کنترل PWM ولتاژ موثر و انرژی تحویل شده از طریق ترانسفورماتور را تغییر می دهد.

اشتباه 4: اشتباه گرفتن خروجی DC با ولتاژ ثانویه

ولتاژ DC تنظیم شده نهایی ممکن است با ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور مورد نیاز به دلیل یکسوسازی و سایر تلفات مدار متفاوت باشد.

اشتباه 5: انتخاب نسبت چرخش بدون بررسی شار هسته

اگر تعداد مطلق چرخش های اولیه خیلی کم باشد، یک نسبت ولتاژ صحیح همچنان می تواند منجر به چگالی شار بیش از حد شود.

اشتباه 6: نادیده گرفتن جریان سیم پیچ

هادی سیم پیچ باید بتواند RMS واقعی و جریان های پیک تولید شده توسط منبع تغذیه را مدیریت کند.

12. چه اطلاعاتی باید به یک سازنده ترانسفورماتور سفارشی بدهید؟

هنگام درخواست ترانسفورماتور سفارشی برای منبع تغذیه، ارائه اطلاعات فنی کامل به سازنده کمک می کند تا طرح را به درستی ارزیابی کند.

برای پروژه های OEM، این پارامترها به سازنده ترانسفورماتور فرکانس بالا اطلاعات کافی برای ارزیابی طراحی مغناطیسی و سیم پیچی به جای تکیه بر مشخصات ولتاژ ناقص می دهد.

13. چه زمانی باید با یک سازنده ترانسفورماتور کار کنید؟

یک ترانسفورماتور استاندارد ممکن است زمانی مناسب باشد که ولتاژ، توان، فرکانس، ابعاد و الزامات نصب از قبل با طراحی موجود مطابقت داشته باشد.

با این حال، برای تجهیزات OEM، ترانسفورماتور ممکن است نیاز به سفارشی سازی در مورد منبع تغذیه واقعی داشته باشد.

یک سازنده ترانسفورماتور سفارشی می تواند ارزیابی کند:

انتخاب هسته مغناطیسی

چرخش های اولیه و ثانویه

سازه سیم پیچ

انتخاب سیم

عایق

اندوکتانس نشتی

افزایش دما

ابعاد مکانیکی

امکان سنجی تولید

این امر به ویژه زمانی مهم است که ترانسفورماتور باید با یک PCB خاص مطابقت داشته باشد یا در محدوده بازده و دمای تعریف شده کار کند.

نتیجه گیری

محاسبه نسبت چرخش ترانسفورماتور با رابطه بین ولتاژ اولیه و ثانویه شروع می شود:

Vp / Vs=Np / Ns

اما این رابطه ایده آل تنها نقطه شروع یک ترانسفورماتور منبع تغذیه عملی است.

برای کاربردهای سوئیچینگ، طراحی نهایی باید توپولوژی مبدل، چرخه کار، محدوده ولتاژ ورودی، یکسوسازی، تلفات ولتاژ، فرکانس سوئیچینگ، هسته مغناطیسی، چگالی شار، جریان سیم پیچ و شرایط حرارتی را در نظر بگیرد.

برای یک ترانسفورماتور فرکانس بالا، نسبت چرخش صحیح و تعداد مطلق چرخش ها باید با هم ایجاد شوند. یک طراحی مناسب باید تبدیل ولتاژ مورد نیاز را فراهم کند و در عین حال شار مغناطیسی، تلفات سیم پیچ، افزایش دما و ابعاد کلی را در چارچوب الزامات برنامه حفظ کند.

برای پروژه های OEM و منبع تغذیه سفارشی، ارائه مشخصات کامل الکتریکی و مکانیکی به سازنده ترانسفورماتور مطمئن ترین راه برای تعیین طراحی سیم پیچ اولیه و ثانویه مناسب است.

خوراکی های کلیدی

هنگام محاسبه نسبت چرخش ترانسفورماتور، همیشه موارد زیر را در نظر بگیرید:

• ولتاژ اولیه و ثانویه
• محدوده ولتاژ ورودی
• توپولوژی مبدل
• چرخه وظیفه
• فرکانس سوئیچینگ
• روش اصلاح
• افت ولتاژ و تلفات مدار
• هسته مغناطیسی و چگالی شار
• جریان اولیه و ثانویه
• الزامات عایق و حرارت

نسبت چرخش رابطه ولتاژ پایه را ایجاد می کند، اما طراحی کامل ترانسفورماتور تعیین می کند که آیا جزء واقعاً در منبع تغذیه عملکرد قابل اعتمادی دارد یا خیر.