A relação de espiras do transformador é um parâmetro fundamental usado para determinar a relação de tensão entre os enrolamentos primário e secundário. Para aplicações de fonte de alimentação, entretanto, calcular a relação de espiras correta requer mais do que simplesmente dividir a tensão de entrada pela tensão de saída.
Em um transformador convencional, a relação de tensão está diretamente relacionada à relação de espiras do enrolamento. Em uma fonte de alimentação chaveada, o projeto final do transformador também depende da topologia do conversor, frequência de chaveamento, ciclo de trabalho, forma de onda, método de retificação, núcleo magnético e faixa de tensão operacional.
Para engenheiros e compradores OEM que trabalham com um transformador de alta frequência ou transformador de fonte de alimentação chaveada, a compreensão dessas relações pode tornar a seleção do transformador e o desenvolvimento personalizado mais eficientes.
1. O que é a relação de rotação do transformador?
A relação de espiras do transformador descreve a relação entre o número de espiras no enrolamento primário e o número de espiras no enrolamento secundário.
Para um transformador ideal:
Vp/Vs=Np/Ns
Onde:
Vp=Tensão primária
Vs=Tensão secundária
Np=turnos primários
Ns=turnos secundários
Por exemplo, se a tensão primária for 400 V e a tensão secundária necessária for 40 V:
400 / 40 = 10
A proporção básica de espiras-para-secundárias é, portanto:
Np : Ns=10 : 1
Este cálculo fornece a relação básica de tensão. Ele não determina, por si só, o projeto final do enrolamento de um transformador de fonte de alimentação prático.
2. Como calcular a proporção básica de giros
O cálculo mais simples é baseado na tensão primária e secundária.
Relação de voltas=Tensão Primária / Tensão Secundária
Por exemplo, considere um transformador com:
Tensão primária: 240 V
Tensão secundária: 24 V
A relação de giro básica é:
240 / 24 = 10
Portanto:
Np : Ns=10 : 1
Se o enrolamento primário contiver 200 voltas, o enrolamento secundário teórico conteria:
200 / 10=20 turnos
Isto é apropriado como um cálculo de transformador ideal.
Para um transformador real, o fabricante deve avaliar ainda mais as perdas, as condições de operação, o fluxo magnético, a corrente do enrolamento e o circuito específico da fonte de alimentação.
3. Relação de espiras primária-para{2}}secundária em fontes de alimentação chaveadas
Um transformador chaveado de fonte de alimentação opera de maneira diferente de um transformador de frequência-de rede convencional.
O transformador normalmente é acionado por uma forma de onda comutada gerada por um circuito de comutação semicondutor. A tensão aplicada ao enrolamento primário depende, portanto, da topologia da fonte de alimentação e das condições de comutação.
Topologias comuns incluem:
Flyback
Avançar
Empurrar-puxar
Meia-ponte
Ponte-completa
Como essas topologias transferem energia de maneira diferente, a relação entre a tensão de entrada, a tensão de saída, o ciclo de trabalho e a relação de espiras do transformador também difere.
É por isso que o seguinte cálculo:
Tensão de entrada/tensão de saída
deve ser tratado como um ponto de partida e não como a equação final do projeto para cada fonte de alimentação chaveada.
4. Por que o ciclo de trabalho afeta a taxa de rotação
Em muitas fontes de alimentação PWM, a tensão de saída é controlada através do ciclo de comutação.
O ciclo de trabalho representa a porcentagem de cada período de comutação durante o qual o circuito de comutação aplica energia ao transformador.
Para uma relação simplificada do conversor, a tensão de saída pode ser relacionada à tensão de entrada, ao ciclo de trabalho e à relação de espiras.
Uma relação representativa pode ser expressa como:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Onde:
Vout=Tensão de saída
Vin =Tensão de entrada do estágio de comutação-relevante
D=Ciclo de trabalho
Ns/Np=Proporção de voltas secundárias-para-primárias
A equação real depende da topologia do conversor e da configuração do circuito.
Por esta razão, um fabricante de transformadores precisa conhecer a topologia da fonte de alimentação antes de determinar a relação de espiras finais.
5. A faixa de tensão de entrada deve ser considerada
Usar apenas a tensão nominal de entrada pode levar a um projeto de transformador inadequado.
Por exemplo, uma fonte de alimentação chaveada pode operar a partir de:
300–400 V CC
em vez de uma tensão fixa.
O transformador deve operar corretamente nesta faixa, mantendo a tensão de saída necessária e evitando fluxo magnético excessivo.
Ao desenvolver um transformador personalizado, forneça:
Tensão mínima de entrada
Tensão nominal de entrada
Tensão máxima de entrada
Ciclo de trabalho máximo
Frequência de comutação
Tensão de saída necessária
Corrente de saída
A relação de espiras deve ser avaliada em relação à faixa operacional completa, e não a um valor nominal.
6. A tensão de saída nem sempre é igual à tensão secundária do transformador
Este é um dos erros mais comuns nos cálculos da relação de espiras do transformador.
Suponha que uma fonte de alimentação exija uma saída regulada de 12 V CC.
Isso não significa necessariamente que o enrolamento secundário do transformador deva ser simplesmente projetado para 12 V.
Entre o transformador e a saída CC final, o circuito pode conter:
Diodos retificadores
Retificação síncrona
Indutores de saída
Capacitores
Circuito de regulação de tensão
Condutores PCB
Esses componentes influenciam a tensão real fornecida à carga.
A tensão secundária do transformador, portanto, precisa ser determinada de acordo com o circuito completo da fonte de alimentação.
Para um transformador de alta frequência personalizado, o fabricante deve receber os requisitos reais do lado -secundário, em vez de apenas a tensão de saída CC final.
7. Quedas de tensão afetam a relação prática de curvas
Um transformador ideal não apresenta perdas elétricas. Um verdadeiro transformador sim.
Quedas de tensão podem resultar de:
Resistência do enrolamento primário
Resistência do enrolamento secundário
Queda de tensão do retificador
Indutância de vazamento
Troca de-perdas de dispositivos
Resistência PCB
Outras perdas do conversor
Por exemplo, se a saída final deve permanecer em 24 V sob carga, o transformador pode precisar fornecer uma tensão secundária que compense as perdas de tensão no restante do circuito.
O valor da compensação depende do projeto da fonte de alimentação e das condições de carga.
Portanto, a relação de espiras real deve ser estabelecida após considerar o percurso elétrico completo.
8. Relação de giros e design do núcleo magnético
A relação de espiras determina a relação de tensão entre os enrolamentos, mas o número absoluto de espiras também deve ser compatível com o núcleo magnético.
Para um transformador de alta frequência, as espiras primárias são influenciadas por:
Tensão aplicada
Frequência de comutação
Ciclo de trabalho máximo
Área de seção-transversal principal
Material principal
Densidade máxima de fluxo
Alternando forma de onda
Poucas voltas primárias podem resultar em fluxo magnético excessivo e potencialmente levar o núcleo à saturação.
Muitas voltas podem aumentar o comprimento do enrolamento, a perda de cobre, a indutância de vazamento e o tamanho do transformador.
Portanto, o projeto do transformador requer ambos:
A relação de giro correta
e
O número absoluto correto de voltas.
Eles estão relacionados, mas não são o mesmo parâmetro de projeto.
9. A proporção de giros também determina o relacionamento atual
A relação de espiras do transformador está relacionada à corrente e também à tensão.
Para um transformador ideal:
IP/É=Ns/Np
Onde:
IP=Corrente primária
É=corrente secundária
Np=turnos primários
Ns=turnos secundários
Isto significa que quando a tensão é reduzida, o lado secundário geralmente carrega uma corrente mais alta para a mesma potência transferida.
Isto tem um efeito direto no projeto do enrolamento do transformador.
O fabricante deve selecionar dimensões de condutores e arranjos de enrolamentos adequados de acordo com a corrente real.
Para enrolamentos secundários-de alta corrente, o projeto pode exigir:
Condutores maiores
Vários fios paralelos
Camadas de enrolamento apropriadas
Arranjos especiais de enrolamento
Portanto, a relação de espiras deve sempre ser considerada em conjunto com os requisitos de potência e corrente.
10. Exemplo: Cálculo da relação de espiras para uma fonte de alimentação
Considere uma fonte de alimentação chaveada simplificada com:
Entrada CC: 320 V
Saída necessária: 24 V
Topologia de comutação: meia-ponte
Ciclo de trabalho aproximado: 50%
Uma simples comparação de tensão fornece:
320 / 24 = 13.33
No entanto, seria incorreto especificar imediatamente uma proporção de transformador de 13,33:1 sem considerar a operação de meia-ponte.
A tensão realmente aplicada ao primário do transformador, o ciclo de trabalho, o método de retificação, as perdas de tensão e a faixa de regulação afetam o projeto final.
O fabricante do transformador usaria, portanto, a especificação completa da fonte de alimentação para determinar:
Núcleo apropriado
Turnos primários
Voltas secundárias
Proporção de giros
Tamanho do fio
Arranjo de enrolamento
Estrutura de isolamento
Aumento de temperatura esperado
É por isso que o desenvolvimento do transformador personalizado deve ser realizado em conjunto com o projeto real do conversor.
11. Erros comuns no cálculo da relação de rotação do transformador
Erro 1: Usando Tensão de Entrada ÷ Tensão de Saída como Razão Final
Isto funciona como um ponto de partida ideal, mas não é suficiente para muitas aplicações de fontes de alimentação chaveadas.
Erro 2: Ignorar a topologia do conversor
Os conversores flyback, direto, meia{0}ponte e ponte-completa têm diferentes relações de transferência de-tensão e energia.
Erro 3: Ignorar o Ciclo de Trabalho
O controle PWM altera a tensão efetiva e a energia fornecida através do transformador.
Erro 4: Confundir saída CC com tensão secundária
A tensão CC regulada final pode diferir da tensão secundária necessária do transformador devido à retificação e outras perdas no circuito.
Erro 5: Selecionar a relação de espiras sem verificar o fluxo central
Uma relação de tensão correta ainda pode resultar em densidade de fluxo excessiva se o número absoluto de espiras primárias for muito baixo.
Erro 6: Ignorar a Corrente do Enrolamento
O condutor do enrolamento deve ser capaz de lidar com o RMS real e as correntes de pico geradas pela fonte de alimentação.
12. Que informações você deve fornecer a um fabricante de transformadores personalizados?
Ao solicitar um transformador personalizado para fonte de alimentação, fornecer informações técnicas completas ajuda o fabricante a avaliar o projeto corretamente.
| Parâmetro | Informações recomendadas |
|---|---|
| Aplicativo | Fonte de alimentação chaveada / conversor / carregador / equipamento industrial |
| Tensão de entrada | Mínimo/nominal/máximo |
| Tensão de saída | Tensão de saída necessária |
| Corrente de saída | Avaliado/máximo |
| Poder | Potência nominal |
| Topologia | Flyback/avançar/empurrar-puxar/meia-ponte/ponte{2}}completa |
| Frequência de comutação | Frequência ou faixa operacional |
| Ciclo de trabalho | Faixa operacional |
| Retificação | Diodo / síncrono / outro |
| Isolamento | Tensão de isolamento necessária |
| Temperatura operacional | Temperatura ambiente e máxima |
| Dimensões | Espaço máximo disponível |
| Montagem | PCB/passante-orifício/outro |
| Quantidade | Protótipo/pequeno lote/produção em massa |
Para projetos OEM, esses parâmetros fornecem ao fabricante de transformadores de alta frequência informações suficientes para avaliar o projeto magnético e do enrolamento, em vez de depender de especificações de tensão incompletas.
13. Quando você deve trabalhar com um fabricante de transformadores?
Um transformador padrão pode ser adequado quando a tensão, potência, frequência, dimensões e requisitos de montagem já correspondem a um projeto existente.
Para equipamentos OEM, entretanto, o transformador pode precisar ser personalizado de acordo com a fonte de alimentação real.
Um fabricante de transformador personalizado pode avaliar:
Seleção de núcleo magnético
Voltas primárias e secundárias
Estrutura sinuosa
Seleção de fio
Isolamento
Indutância de vazamento
Aumento de temperatura
Dimensões mecânicas
Viabilidade de produção
Isto é particularmente importante quando o transformador deve se adaptar a uma placa de circuito impresso específica ou operar dentro de uma faixa definida de eficiência e temperatura.
Conclusão
O cálculo da relação de espiras do transformador começa com a relação entre a tensão primária e secundária:
Vp/Vs=Np/Ns
Mas esta relação ideal é apenas o ponto de partida para um transformador de fonte de alimentação prático.
Para aplicações de chaveamento, o projeto final também deve considerar a topologia do conversor, ciclo de trabalho, faixa de tensão de entrada, retificação, perdas de tensão, frequência de chaveamento, núcleo magnético, densidade de fluxo, corrente do enrolamento e condições térmicas.
Para um transformador de alta frequência, a relação correta de espiras e o número absoluto de espiras devem ser desenvolvidos juntos. Um projeto adequado deve fornecer a transformação de tensão necessária, mantendo o fluxo magnético, as perdas no enrolamento, o aumento de temperatura e as dimensões gerais dentro dos requisitos da aplicação.
Para projetos de fontes de alimentação OEM e personalizadas, fornecer especificações elétricas e mecânicas completas ao fabricante do transformador é a maneira mais confiável de determinar o projeto apropriado do enrolamento primário e secundário.
Principais conclusões
Ao calcular a relação de espiras de um transformador, considere sempre:
- Tensão primária e secundária
- Faixa de tensão de entrada
- Topologia do conversor
- Ciclo de trabalho
- Frequência de comutação
- Método de retificação
- Quedas de tensão e perdas no circuito
- Núcleo magnético e densidade de fluxo
- Corrente primária e secundária
- Requisitos de isolamento e térmicos
A relação de espiras estabelece a relação básica de tensão, mas o projeto completo do transformador determina se o componente realmente terá um desempenho confiável na fonte de alimentação.