De transformatoromwentelingenverhouding is een fundamentele parameter die wordt gebruikt om de spanningsrelatie tussen de primaire en secundaire wikkelingen te bepalen. Voor voedingstoepassingen vereist het berekenen van de juiste windingsverhouding echter meer dan alleen het delen van de ingangsspanning door de uitgangsspanning.
Bij een conventionele transformator is de spanningsverhouding direct gerelateerd aan de verhouding van de windingen van de wikkelingen. Bij een schakelende voeding hangt het uiteindelijke transformatorontwerp ook af van de topologie van de omvormer, de schakelfrequentie, de werkcyclus, de golfvorm, de gelijkrichtmethode, de magnetische kern en het bedrijfsspanningsbereik.
Voor ingenieurs en OEM-kopers die met een hoogfrequente transformator of schakelende voedingstransformator werken, kan het begrijpen van deze relaties de selectie van transformatoren en de ontwikkeling op maat efficiënter maken.
1. Wat is de transformatoromwentelingenverhouding?
De transformatoromwentelingenverhouding beschrijft de relatie tussen het aantal windingen op de primaire wikkeling en het aantal windingen op de secundaire wikkeling.
Voor een ideale transformator:
Vp / Vs=Np / Ns
Waar:
Vp=Primaire spanning
Vs=Secundaire spanning
Np=Primaire beurten
Ns=Secundaire beurten
Als de primaire spanning bijvoorbeeld 400 V is en de vereiste secundaire spanning 40 V:
400 / 40 = 10
De basisverhouding van primaire{0}}tot-secundaire windingen is daarom:
Np: Ns=10: 1
Deze berekening levert de basisspanningsrelatie op. Het bepaalt op zichzelf niet het uiteindelijke wikkelontwerp van een praktische voedingstransformator.
2. Hoe u de basisbochtverhouding kunt berekenen
De eenvoudigste berekening is gebaseerd op de primaire en secundaire spanning.
Draaiverhouding=Primaire spanning/secundaire spanning
Denk bijvoorbeeld aan een transformator met:
Primaire spanning: 240 V
Secundaire spanning: 24 V
De basisomwentelingenverhouding is:
240 / 24 = 10
Daarom:
Np: Ns=10: 1
Als de primaire wikkeling 200 windingen bevat, zou de theoretische secundaire wikkeling het volgende bevatten:
200 / 10=20 beurten
Dit is geschikt als ideale transformatorberekening.
Voor een daadwerkelijke transformator moet de fabrikant de verliezen, bedrijfsomstandigheden, magnetische flux, wikkelstroom en het specifieke voedingscircuit verder evalueren.
3. Primaire-tot-secundaire windingsverhouding in schakelvoedingen
Een schakelende voedingstransformator werkt anders dan een conventionele-netfrequentietransformator.
De transformator wordt normaal gesproken aangedreven door een geschakelde golfvorm die wordt gegenereerd door een halfgeleiderschakelcircuit. De spanning die op de primaire wikkeling wordt toegepast, is daarom afhankelijk van de topologie van de voeding en de schakelomstandigheden.
Veel voorkomende topologieën zijn onder meer:
Terugvliegen
Vooruit
Duwen-trekken
Halve-brug
Volledige-brug
Omdat deze topologieën energie op een andere manier overbrengen, verschilt ook de relatie tussen ingangsspanning, uitgangsspanning, duty-cycle en transformatoromwentelingen.
Daarom de volgende berekening:
Ingangsspanning / Uitgangsspanning
moet worden behandeld als uitgangspunt en niet als definitieve ontwerpvergelijking voor elke schakelende voeding.
4. Waarom de inschakelduur de draaiverhouding beïnvloedt
Bij veel PWM-voedingen wordt de uitgangsspanning geregeld via de schakelcyclus.
De duty-cycle vertegenwoordigt het percentage van elke schakelperiode waarin het schakelcircuit energie aan de transformator levert.
Voor een vereenvoudigde converterrelatie kan de uitgangsspanning worden gerelateerd aan de ingangsspanning, de werkcyclus en de windingsverhouding.
Een representatieve relatie kan worden uitgedrukt als:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Waar:
Vout=Uitgangsspanning
Vin=Relevante schakel-trapingangsspanning
D=Inschakelduur
Ns/Np=Verhouding secundaire-tot-primaire windingen
De feitelijke vergelijking hangt af van de topologie van de omvormer en de circuitconfiguratie.
Om deze reden moet een transformatorfabrikant de topologie van de voeding kennen voordat hij de uiteindelijke windingsverhouding bepaalt.
5. Er moet rekening worden gehouden met het ingangsspanningsbereik
Het gebruik van alleen de nominale ingangsspanning kan leiden tot een ongeschikt transformatorontwerp.
Een schakelende voeding kan bijvoorbeeld werken vanuit:
300–400 V gelijkstroom
in plaats van op één vaste spanning.
De transformator moet over dit bereik correct werken, terwijl de vereiste uitgangsspanning behouden blijft en overmatige magnetische flux wordt vermeden.
Geef bij het ontwikkelen van een aangepaste transformator het volgende op:
Minimale ingangsspanning
Nominale ingangsspanning
Maximale ingangsspanning
Maximale inschakelduur
Schakelfrequentie
Vereiste uitgangsspanning
Uitgangsstroom
De windingsverhouding moet worden beoordeeld aan de hand van het volledige bedrijfsbereik in plaats van één nominale waarde.
6. Uitgangsspanning is niet altijd gelijk aan de secundaire spanning van de transformator
Dit is een van de meest voorkomende fouten bij het berekenen van de verhouding van transformatoromwentelingen.
Stel dat een voeding een gereguleerde 12 V DC-uitgang vereist.
Het betekent niet noodzakelijkerwijs dat de secundaire wikkeling van de transformator eenvoudigweg voor 12 V moet worden ontworpen.
Tussen de transformator en de uiteindelijke DC-uitgang kan het circuit het volgende bevatten:
Gelijkrichterdiodes
Synchrone rectificatie
Uitgangsspoelen
Condensatoren
Schakelingen voor spanningsregeling
PCB-geleiders
Deze componenten beïnvloeden de daadwerkelijke spanning die aan de belasting wordt geleverd.
De secundaire spanning van de transformator moet daarom worden bepaald op basis van het volledige voedingscircuit.
Voor een op maat gemaakte hoogfrequente transformator moet de fabrikant de daadwerkelijke vereisten aan de secundaire-zijde ontvangen, in plaats van alleen de uiteindelijke DC-uitgangsspanning.
7. Spanningsdalingen beïnvloeden de praktische bochtverhouding
Een ideale transformator kent geen elektrische verliezen. Een echte transformator doet dat wel.
Spanningsdalingen kunnen het gevolg zijn van:
Primaire wikkelingsweerstand
Secundaire wikkelingsweerstand
Spanningsval gelijkrichter
Lekkage-inductie
Switching-apparaatverlies
PCB-weerstand
Andere converterverliezen
Als de uiteindelijke uitgang bijvoorbeeld onder belasting op 24 V moet blijven, moet de transformator mogelijk een secundaire spanning leveren die de spanningsverliezen in de rest van het circuit compenseert.
De hoogte van de compensatie is afhankelijk van het ontwerp van de voeding en de belastingsomstandigheden.
Daarom moet de feitelijke windingsverhouding worden vastgesteld nadat het volledige elektrische pad is bekeken.
8. Draaiverhouding en magnetisch kernontwerp
De windingsverhouding bepaalt de spanningsrelatie tussen de wikkelingen, maar het absolute aantal windingen moet ook compatibel zijn met de magnetische kern.
Bij een hoogfrequente transformator worden de primaire windingen beïnvloed door:
Toegepaste spanning
Schakelfrequentie
Maximale inschakelduur
Kerndwars-doorsnedegebied
Kernmateriaal
Maximale fluxdichtheid
Golfvorm schakelen
Te weinig primaire windingen kunnen resulteren in een overmatige magnetische flux en mogelijk de kern in de richting van verzadiging drijven.
Te veel windingen kunnen de wikkellengte, het koperverlies, de lekinductie en de transformatorgrootte vergroten.
Daarom vereist het transformatorontwerp beide:
De juiste draaiverhouding
En
Het juiste absolute aantal beurten.
Deze zijn gerelateerd, maar zijn niet dezelfde ontwerpparameter.
9. De bochtverhouding bepaalt ook de huidige relatie
De transformatoromwentelingenverhouding is gerelateerd aan zowel stroom als spanning.
Voor een ideale transformator:
Ip / Is=Ns / Np
Waar:
Ip=Primaire stroom
Is=secundaire stroom
Np=Primaire beurten
Ns=Secundaire beurten
Dit betekent dat wanneer de spanning wordt verlaagd, de secundaire zijde over het algemeen een hogere stroom voert voor hetzelfde overgedragen vermogen.
Dit heeft een direct effect op het ontwerp van de transformatorwikkeling.
De fabrikant moet geschikte geleiderafmetingen en wikkelopstellingen selecteren op basis van de werkelijke stroomsterkte.
Voor secundaire wikkelingen met hoge- stroom kan het ontwerp het volgende vereisen:
Grotere geleiders
Meerdere parallelle draden
Geschikte wikkellagen
Speciale wikkelarrangementen
Daarom moet de windingsverhouding altijd in samenhang met de stroom- en stroomvereisten worden beschouwd.
10. Voorbeeld: Berekening van de draaiverhouding voor een voeding
Overweeg een vereenvoudigde schakelende voeding met:
DC-ingang: 320 V
Vereiste uitgang: 24 V
Schakeltopologie: halve-brug
Geschatte inschakelduur: 50%
Een eenvoudige spanningsvergelijking geeft:
320 / 24 = 13.33
Het zou echter onjuist zijn om onmiddellijk een transformatorverhouding van 13,33:1 te specificeren zonder rekening te houden met de werking van de halve-brug.
De spanning die daadwerkelijk op de primaire transformator wordt toegepast, de werkcyclus, de rectificatiemethode, de spanningsverliezen en het regelbereik zijn allemaal van invloed op het uiteindelijke ontwerp.
De transformatorfabrikant zou daarom de volledige voedingsspecificatie gebruiken om het volgende te bepalen:
Passende kern
Primaire beurten
Secundaire beurten
Draaiverhouding
Draad maat
Kronkelende opstelling
Isolatie structuur
Verwachte temperatuurstijging
Dit is de reden waarom de ontwikkeling van aangepaste transformatoren samen met het daadwerkelijke ontwerp van de omvormer moet worden uitgevoerd.
11. Veelvoorkomende fouten bij het berekenen van de transformatieverhouding
Fout 1: Ingangsspanning ÷ uitgangsspanning gebruiken als eindverhouding
Dit werkt als een ideaal startpunt, maar is voor veel toepassingen met schakelende voedingen niet voldoende.
Fout 2: Convertertopologie negeren
Flyback-, forward-, halve{0}}brug- en volledige-brugconverters hebben verschillende spannings- en energie--overdrachtsrelaties.
Fout 3: Duty Cycle negeren
PWM-regeling verandert de effectieve spanning en energie die via de transformator wordt geleverd.
Fout 4: DC-uitgang verwarren met secundaire spanning
De uiteindelijke geregelde gelijkspanning kan afwijken van de vereiste secundaire spanning van de transformator vanwege gelijkrichting en andere circuitverliezen.
Fout 5: Draaiverhouding selecteren zonder de kernflux te controleren
Een correcte spanningsverhouding kan nog steeds resulteren in een te hoge fluxdichtheid als het absolute aantal primaire windingen te laag is.
Fout 6: Windstroom negeren
De wikkelgeleider moet in staat zijn de werkelijke RMS- en piekstromen te verwerken die door de voeding worden gegenereerd.
12. Welke informatie moet u een fabrikant van aangepaste transformatoren geven?
Bij het aanvragen van een op maat gemaakte transformator voor een voeding kan het verstrekken van volledige technische informatie de fabrikant helpen het ontwerp correct te beoordelen.
| Parameter | Aanbevolen informatie |
|---|---|
| Sollicitatie | Schakelende voeding / omvormer / lader / industriële apparatuur |
| Ingangsspanning | Minimum / nominaal / maximum |
| Uitgangsspanning | Vereiste uitgangsspanning |
| Uitgangsstroom | Nominaal / maximaal |
| Stroom | Nominaal vermogen |
| Topologie | Terugvliegen / vooruit / duwen-trekken / halve-brug / volledige-brug |
| Schakelfrequentie | Bedrijfsfrequentie of bereik |
| Inschakelduur | Bedrijfsbereik |
| Rectificatie | Diode / synchroon / anders |
| Isolatie | Vereiste isolatiespanning |
| Bedrijfstemperatuur | Omgevings- en maximumtemperatuur |
| Afmetingen | Maximaal beschikbare ruimte |
| Montage | PCB / door-gat / anders |
| Hoeveelheid | Prototype / kleine batch / massaproductie |
Voor OEM-projecten geven deze parameters een fabrikant van hoogfrequente transformatoren voldoende informatie om het magnetische en wikkelingsontwerp te evalueren in plaats van te vertrouwen op onvolledige spanningsspecificaties.
13. Wanneer moet u samenwerken met een transformatorfabrikant?
Een standaardtransformator kan geschikt zijn wanneer de spanning, het vermogen, de frequentie, de afmetingen en de montagevereisten al overeenkomen met een bestaand ontwerp.
Voor OEM-apparatuur moet de transformator mogelijk echter worden aangepast aan de daadwerkelijke stroomvoorziening.
Een fabrikant van op maat gemaakte transformatoren kan het volgende evalueren:
Magnetische kernselectie
Primaire en secundaire beurten
Kronkelende structuur
Draad selectie
Isolatie
Lekkage-inductie
Temperatuurstijging
Mechanische afmetingen
Productie haalbaarheid
Dit is vooral belangrijk wanneer de transformator op een specifieke printplaat moet passen of binnen een gedefinieerd efficiëntie- en temperatuurbereik moet werken.
Conclusie
Het berekenen van de verhouding van een transformatoromwentelingen begint met de relatie tussen primaire en secundaire spanning:
Vp / Vs=Np / Ns
Maar deze ideale relatie is slechts het startpunt voor een praktische voedingstransformator.
Voor schakeltoepassingen moet bij het uiteindelijke ontwerp ook rekening worden gehouden met de topologie van de omvormer, de werkcyclus, het bereik van de ingangsspanning, de rectificatie, de spanningsverliezen, de schakelfrequentie, de magnetische kern, de fluxdichtheid, de wikkelingsstroom en de thermische omstandigheden.
Voor een hoogfrequente transformator moeten de juiste windingsverhouding en het absolute aantal windingen samen worden ontwikkeld. Een geschikt ontwerp moet de vereiste spanningstransformatie bieden en tegelijkertijd de magnetische flux, wikkelingsverliezen, temperatuurstijging en algemene afmetingen binnen de toepassingsvereisten houden.
Voor OEM- en aangepaste stroomvoorzieningsprojecten is het verstrekken van volledige elektrische en mechanische specificaties aan de transformatorfabrikant de meest betrouwbare manier om het juiste primaire en secundaire wikkelingsontwerp te bepalen.
Belangrijkste afhaalrestaurants
Houd bij het berekenen van de transformatoromwentelingenverhouding altijd rekening met het volgende:
- Primaire en secundaire spanning
- Ingangsspanningsbereik
- Convertertopologie
- Inschakelduur
- Schakelfrequentie
- Rectificatie methode
- Spanningsdalingen en circuitverliezen
- Magnetische kern en fluxdichtheid
- Primaire en secundaire stroom
- Isolatie- en thermische vereisten
De windingsverhouding bepaalt de basisspanningsrelatie, maar het volledige transformatorontwerp bepaalt of het onderdeel daadwerkelijk betrouwbaar zal presteren in de stroomvoorziening.