วิธีการคำนวณอัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงสำหรับการใช้งานพาวเวอร์ซัพพลาย

อัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงเป็นพารามิเตอร์พื้นฐานที่ใช้ในการกำหนดความสัมพันธ์ของแรงดันไฟฟ้าระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานแหล่งจ่ายไฟ การคำนวณอัตราส่วนการหมุนที่ถูกต้องนั้นต้องการมากกว่าแค่การหารแรงดันไฟฟ้าอินพุตด้วยแรงดันเอาต์พุต

ในหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไป อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับอัตราส่วนการหมุนของขดลวด ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง การออกแบบหม้อแปลงขั้นสุดท้ายยังขึ้นอยู่กับโทโพโลยีของคอนเวอร์เตอร์ ความถี่สวิตชิ่ง รอบการทำงาน รูปคลื่น วิธีการแก้ไข แกนแม่เหล็ก และช่วงแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน

สำหรับวิศวกรและผู้ซื้อ OEM ที่ทำงานกับหม้อแปลงความถี่สูงหรือหม้อแปลงจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง การทำความเข้าใจความสัมพันธ์เหล่านี้สามารถทำให้การเลือกหม้อแปลงและการพัฒนาแบบกำหนดเองมีประสิทธิภาพมากขึ้น

1. อัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงคืออะไร?

อัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ

สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติ:

Vp / กับ=Np / Ns

ที่ไหน:

Vp=แรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิ

เทียบกับ=แรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิ

Np=รอบหลัก

Ns=รอบรอง

ตัวอย่างเช่น หากแรงดันไฟฟ้าหลักคือ 400 V และแรงดันไฟฟ้ารองที่ต้องการคือ 40 V:

400 / 40 = 10

ดังนั้นอัตราส่วนการหมุนหลัก-ถึง-รองจึงเป็น:

Np : Ns=10 : 1

การคำนวณนี้แสดงความสัมพันธ์ของแรงดันไฟฟ้าพื้นฐาน โดยตัวมันเองไม่ได้กำหนดการออกแบบขดลวดขั้นสุดท้ายของหม้อแปลงจ่ายไฟที่ใช้งานได้จริง

2. วิธีการคำนวณอัตราส่วนการหมุนพื้นฐาน

การคำนวณที่ง่ายที่สุดขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าหลักและรอง

เปลี่ยนอัตราส่วน=แรงดันไฟฟ้าหลัก / แรงดันไฟฟ้ารอง

ตัวอย่างเช่น พิจารณาหม้อแปลงไฟฟ้าที่มี:

แรงดันไฟฟ้าหลัก: 240 V

แรงดันไฟสำรอง: 24 โวลต์

อัตราส่วนการหมุนพื้นฐานคือ:

240 / 24 = 10

ดังนั้น:

Np : Ns=10 : 1

หากขดลวดปฐมภูมิมี 200 รอบ ขดลวดทุติยภูมิตามทฤษฎีจะมี:

200 / 10=20 รอบ

นี่เหมาะสมสำหรับการคำนวณหม้อแปลงในอุดมคติ

สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าจริง ผู้ผลิตต้องประเมินความสูญเสีย สภาวะการทำงาน ฟลักซ์แม่เหล็ก กระแสขดลวด และวงจรจ่ายไฟเฉพาะเพิ่มเติม

3. อัตราส่วนการหมุนหลัก-ถึง-รองในอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

หม้อแปลงจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทำงานแตกต่างจากหม้อแปลงความถี่หลัก{0}}ทั่วไป

โดยปกติหม้อแปลงจะถูกขับเคลื่อนด้วยรูปคลื่นแบบสวิตช์ที่สร้างขึ้นโดยวงจรสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขดลวดปฐมภูมิจึงขึ้นอยู่กับโทโพโลยีของแหล่งจ่ายไฟและเงื่อนไขการสลับ

โทโพโลยีทั่วไปได้แก่:

ฟลายแบ็ค

ซึ่งไปข้างหน้า

ดัน-ดึง

ครึ่ง-สะพาน

สะพานเต็ม-

เนื่องจากโทโพโลยีเหล่านี้ถ่ายโอนพลังงานแตกต่างกัน ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้า แรงดันเอาต์พุต รอบการทำงาน และอัตราส่วนรอบของหม้อแปลงจึงแตกต่างกันเช่นกัน

นี่คือสาเหตุที่การคำนวณต่อไปนี้:

แรงดันไฟฟ้าขาเข้า / แรงดันขาออก

ควรถือเป็นจุดเริ่มต้นแทนที่จะเป็นสมการการออกแบบขั้นสุดท้ายสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทุกตัว

4. เหตุใดวัฏจักรหน้าที่จึงส่งผลต่ออัตราส่วนการเลี้ยว

ในแหล่งจ่ายไฟแบบ PWM จำนวนมาก แรงดันเอาต์พุตจะถูกควบคุมผ่านรอบการทำงานของสวิตช์

รอบการทำงานแสดงถึงเปอร์เซ็นต์ของระยะเวลาการสลับแต่ละครั้งในระหว่างที่วงจรสวิตช์ใช้พลังงานกับหม้อแปลงไฟฟ้า

สำหรับความสัมพันธ์ของคอนเวอร์เตอร์แบบง่าย แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตอาจสัมพันธ์กับแรงดันไฟฟ้าอินพุต รอบการทำงาน และอัตราส่วนการหมุน

ความสัมพันธ์แบบตัวแทนสามารถแสดงเป็น:

โวต์ µ วิน × ดี × (Ns / Np)

ที่ไหน:

Vout=แรงดันเอาต์พุต

Vin=การสลับที่เกี่ยวข้อง-แรงดันไฟฟ้าอินพุตของสเตจ

D=รอบการทำงาน

Ns/Np=อัตราส่วนรอง-ถึง- การหมุนหลัก

สมการที่แท้จริงขึ้นอยู่กับโทโพโลยีของคอนเวอร์เตอร์และการกำหนดค่าวงจร

ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตหม้อแปลงไฟฟ้าจึงจำเป็นต้องทราบโทโพโลยีของแหล่งจ่ายไฟ ก่อนที่จะกำหนดอัตราส่วนรอบสุดท้าย

5. ต้องพิจารณาช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

การใช้เฉพาะแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่กำหนดอาจทำให้การออกแบบหม้อแปลงไม่เหมาะสมได้

ตัวอย่างเช่น แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งอาจทำงานจาก:

300–400 โวลต์กระแสตรง

แทนที่จะเป็นแรงดันไฟฟ้าคงที่อันเดียว

หม้อแปลงต้องทำงานอย่างถูกต้องในช่วงนี้โดยยังคงรักษาแรงดันไฟขาออกที่ต้องการและหลีกเลี่ยงฟลักซ์แม่เหล็กที่มากเกินไป

เมื่อพัฒนาหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกำหนดเอง ให้จัดเตรียม:

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าขั้นต่ำ

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่กำหนด

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุด

รอบการทำงานสูงสุด

การสลับความถี่

แรงดันไฟขาออกที่ต้องการ

กระแสไฟขาออก

อัตราส่วนการหมุนควรได้รับการประเมินโดยเทียบกับช่วงการทำงานที่สมบูรณ์ แทนที่จะเป็นค่าที่กำหนดเพียงค่าเดียว

6. แรงดันไฟขาออกไม่เท่ากับแรงดันรองของหม้อแปลงเสมอไป

นี่เป็นหนึ่งในข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในการคำนวณอัตราส่วนการเปลี่ยนหม้อแปลง

สมมติว่าแหล่งจ่ายไฟต้องมีเอาต์พุต DC 12 V ที่มีการควบคุม

ไม่ได้หมายความว่าขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าควรได้รับการออกแบบสำหรับ 12 V เท่านั้น

ระหว่างหม้อแปลงกับเอาต์พุต DC สุดท้าย วงจรอาจประกอบด้วย:

ไดโอดเรียงกระแส

การแก้ไขแบบซิงโครนัส

ตัวเหนี่ยวนำเอาท์พุท

ตัวเก็บประจุ

วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ตัวนำ PCB

ส่วนประกอบเหล่านี้มีอิทธิพลต่อแรงดันไฟฟ้าจริงที่ส่งไปยังโหลด

จึงต้องกำหนดแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิของหม้อแปลงตามวงจรจ่ายไฟที่สมบูรณ์

สำหรับหม้อแปลงความถี่สูงแบบกำหนดเอง ผู้ผลิตควรได้รับข้อกำหนดด้านรอง-ตามจริง แทนที่จะรับเฉพาะแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต DC สุดท้ายเท่านั้น

7. แรงดันไฟฟ้าตกส่งผลต่ออัตราส่วนการหมุนในทางปฏิบัติ

หม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติไม่มีการสูญเสียทางไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้าจริงทำ

แรงดันไฟฟ้าตกอาจเกิดจาก:

ความต้านทานของขดลวดปฐมภูมิ

ความต้านทานของขดลวดทุติยภูมิ

แรงดันตกคร่อมวงจรเรียงกระแส

ตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหล

การเปลี่ยน-การสูญเสียอุปกรณ์

ความต้านทานของพีซีบี

การสูญเสียตัวแปลงอื่น ๆ

ตัวอย่างเช่น หากเอาต์พุตสุดท้ายต้องคงอยู่ที่ 24 V ภายใต้โหลด หม้อแปลงอาจจำเป็นต้องจัดเตรียมแรงดันไฟฟ้าสำรองที่ชดเชยการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าในส่วนที่เหลือของวงจร

จำนวนค่าชดเชยขึ้นอยู่กับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟและสภาวะโหลด

ดังนั้น ควรกำหนดอัตราส่วนการหมุนตามจริงหลังจากพิจารณาเส้นทางไฟฟ้าที่สมบูรณ์แล้ว

8. เปลี่ยนอัตราส่วนและการออกแบบแกนแม่เหล็ก

อัตราส่วนการหมุนจะกำหนดความสัมพันธ์ของแรงดันไฟฟ้าระหว่างขดลวด แต่จำนวนรอบที่แน่นอนจะต้องเข้ากันได้กับแกนแม่เหล็กด้วย

สำหรับหม้อแปลงความถี่สูง การหมุนหลักจะได้รับอิทธิพลจาก:

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้

การสลับความถี่

รอบการทำงานสูงสุด

พื้นที่หน้าตัดแกนกลาง-

วัสดุหลัก

ความหนาแน่นของฟลักซ์สูงสุด

การสลับรูปคลื่น

การเลี้ยวหลักน้อยเกินไปอาจส่งผลให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กมากเกินไป และอาจผลักดันแกนกลางไปสู่ความอิ่มตัว

การหมุนมากเกินไปอาจทำให้ความยาวของขดลวด การสูญเสียทองแดง ความเหนี่ยวนำการรั่วไหล และขนาดหม้อแปลงเพิ่มขึ้น

ดังนั้นการออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าจึงต้องการทั้ง:

อัตราส่วนการหมุนที่ถูกต้อง

และ

จำนวนรอบที่แน่นอนที่ถูกต้อง

สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องกัน แต่ไม่ใช่พารามิเตอร์การออกแบบเดียวกัน

9. อัตราส่วนการหมุนยังกำหนดความสัมพันธ์ปัจจุบันด้วย

อัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงสัมพันธ์กับกระแสและแรงดันไฟฟ้า

สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าในอุดมคติ:

Ip / คือ=Ns / Np

ที่ไหน:

Ip=กระแสหลัก

เป็นกระแสทุติยภูมิ =

Np=รอบหลัก

Ns=รอบรอง

ซึ่งหมายความว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลง โดยทั่วไปด้านทุติยภูมิจะมีกระแสไฟฟ้าสูงกว่าสำหรับกำลังที่ถ่ายโอนเท่ากัน

สิ่งนี้มีผลโดยตรงต่อการออกแบบขดลวดหม้อแปลง

ผู้ผลิตต้องเลือกขนาดตัวนำที่เหมาะสมและการจัดวางขดลวดตามกระแสไฟฟ้าจริง

สำหรับขดลวดทุติยภูมิ-กระแสสูง การออกแบบอาจต้องการ:

ตัวนำที่ใหญ่กว่า

สายไฟขนานกันหลายเส้น

ชั้นคดเคี้ยวที่เหมาะสม

การจัดเตรียมการม้วนแบบพิเศษ

ดังนั้นควรพิจารณาอัตราส่วนการหมุนร่วมกับข้อกำหนดด้านกำลังและกระแสไฟเสมอ

10. ตัวอย่าง: การคำนวณอัตราส่วนการหมุนของพาวเวอร์ซัพพลาย

พิจารณาแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งแบบง่ายด้วย:

อินพุต DC: 320 โวลต์

เอาต์พุตที่ต้องการ: 24 V

การสลับโทโพโลยี: ครึ่ง-บริดจ์

รอบการทำงานโดยประมาณ: 50%

การเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าอย่างง่ายจะให้:

320 / 24 = 13.33

อย่างไรก็ตาม การระบุอัตราส่วนหม้อแปลง 13.33:1 ทันทีโดยไม่คำนึงถึงการทำงานของบริดจ์ครึ่งหนึ่ง-จะไม่ถูกต้อง

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้จริงกับหม้อแปลงหลัก รอบการทำงาน วิธีการแก้ไข การสูญเสียแรงดันไฟฟ้า และช่วงการควบคุม ล้วนส่งผลต่อการออกแบบขั้นสุดท้าย

ผู้ผลิตหม้อแปลงไฟฟ้าจึงใช้ข้อกำหนดแหล่งจ่ายไฟที่สมบูรณ์เพื่อกำหนด:

หลักที่เหมาะสม

รอบปฐมภูมิ

รอบรอง

เปลี่ยนอัตราส่วน

ขนาดลวด

การจัดเรียงที่คดเคี้ยว

โครงสร้างฉนวน

คาดว่าจะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น

นี่คือเหตุผลว่าทำไมการพัฒนาหม้อแปลงแบบกำหนดเองจึงควรดำเนินการร่วมกับการออกแบบตัวแปลงจริง

11. ข้อผิดพลาดในการคำนวณอัตราส่วนของหม้อแปลงทั่วไป

ข้อผิดพลาด 1: การใช้แรงดันไฟฟ้าขาเข้า KW แรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นอัตราส่วนสุดท้าย

สิ่งนี้ทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นในอุดมคติ แต่ยังไม่เพียงพอสำหรับแอปพลิเคชันจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจำนวนมาก

ข้อผิดพลาด 2: ละเว้นโทโพโลยีของตัวแปลง

ตัวแปลงฟลายแบ็ค ไปข้างหน้า ครึ่ง-บริดจ์ และบริดจ์เต็ม-มีความสัมพันธ์ในการถ่ายโอนแรงดันไฟฟ้าและพลังงาน-ที่แตกต่างกัน

ข้อผิดพลาด 3: ละเลยรอบการทำงาน

การควบคุม PWM จะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าและพลังงานที่มีประสิทธิภาพที่ส่งผ่านหม้อแปลง

ข้อผิดพลาด 4: เอาต์พุต DC ที่สับสนด้วยแรงดันไฟฟ้ารอง

แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ได้รับการควบคุมขั้นสุดท้ายอาจแตกต่างจากแรงดันไฟฟ้ารองของหม้อแปลงที่ต้องการ เนื่องจากการแก้ไขและการสูญเสียวงจรอื่นๆ

ข้อผิดพลาดที่ 5: การเลือกอัตราส่วนการหมุนโดยไม่ตรวจสอบคอร์ฟลักซ์

อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าที่ถูกต้องยังอาจส่งผลให้ความหนาแน่นของฟลักซ์มากเกินไปได้ หากจำนวนรอบปฐมภูมิสัมบูรณ์ต่ำเกินไป

ข้อผิดพลาด 6: ละเว้นกระแสที่คดเคี้ยว

ตัวนำขดลวดจะต้องสามารถจัดการ RMS จริงและกระแสสูงสุดที่เกิดจากแหล่งจ่ายไฟได้

12. คุณควรให้ข้อมูลใดแก่ผู้ผลิตหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกำหนดเอง?

เมื่อขอหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกำหนดเองสำหรับแหล่งจ่ายไฟ การให้ข้อมูลทางเทคนิคที่ครบถ้วนจะช่วยให้ผู้ผลิตประเมินการออกแบบได้อย่างถูกต้อง

สำหรับโครงการ OEM พารามิเตอร์เหล่านี้จะให้ข้อมูลที่เพียงพอแก่ผู้ผลิตหม้อแปลงความถี่สูงในการประเมินการออกแบบแม่เหล็กและขดลวด แทนที่จะอาศัยข้อกำหนดเฉพาะด้านแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมบูรณ์

13. เมื่อใดที่คุณควรทำงานร่วมกับผู้ผลิตหม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงมาตรฐานอาจเหมาะสมเมื่อแรงดันไฟฟ้า กำลัง ความถี่ ขนาด และข้อกำหนดในการติดตั้งตรงกับการออกแบบที่มีอยู่แล้ว

อย่างไรก็ตาม สำหรับอุปกรณ์ OEM อาจจำเป็นต้องปรับแต่งหม้อแปลงให้เหมาะกับแหล่งจ่ายไฟจริง

ผู้ผลิตหม้อแปลงไฟฟ้าแบบกำหนดเองสามารถประเมิน:

การเลือกแกนแม่เหล็ก

รอบปฐมภูมิและรอบรอง

โครงสร้างที่คดเคี้ยว

การเลือกลวด

ฉนวนกันความร้อน

ตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหล

อุณหภูมิสูงขึ้น

มิติทางกล

ความเป็นไปได้ในการผลิต

นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเมื่อหม้อแปลงต้องพอดีกับ PCB เฉพาะหรือทำงานภายในช่วงประสิทธิภาพและอุณหภูมิที่กำหนด

บทสรุป

การคำนวณอัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลงเริ่มต้นด้วยความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าหลักและรอง:

Vp / กับ=Np / Ns

แต่ความสัมพันธ์ในอุดมคตินี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้นสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริง

สำหรับการใช้งานสวิตชิ่ง การออกแบบขั้นสุดท้ายต้องพิจารณาโทโพโลยีของคอนเวอร์เตอร์ รอบการทำงาน ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต การแก้ไข การสูญเสียแรงดันไฟฟ้า ความถี่สวิตชิ่ง แกนแม่เหล็ก ความหนาแน่นฟลักซ์ กระแสขดลวด และสภาวะความร้อน

สำหรับหม้อแปลงความถี่สูง จะต้องพัฒนาอัตราส่วนการหมุนที่ถูกต้องและจำนวนรอบที่แน่นอนร่วมกัน การออกแบบที่เหมาะสมควรจัดให้มีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ ในขณะเดียวกันก็รักษาฟลักซ์แม่เหล็ก การสูญเสียของขดลวด อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และขนาดโดยรวมภายในข้อกำหนดการใช้งาน

สำหรับโครงการ OEM และแหล่งจ่ายไฟแบบกำหนดเอง การจัดหาข้อกำหนดทางไฟฟ้าและเครื่องกลที่สมบูรณ์ให้กับผู้ผลิตหม้อแปลงไฟฟ้าเป็นวิธีที่น่าเชื่อถือที่สุดในการพิจารณาการออกแบบขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิที่เหมาะสม

ประเด็นสำคัญ

เมื่อคำนวณอัตราส่วนการหมุนของหม้อแปลง ให้พิจารณาเสมอ:

• แรงดันไฟฟ้าหลักและรอง
• ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า
• โทโพโลยีตัวแปลง
• รอบหน้าที่
• การสลับความถี่
• วิธีการแก้ไข
• แรงดันตกและการสูญเสียวงจร
• แกนแม่เหล็กและความหนาแน่นของฟลักซ์
• กระแสหลักและกระแสทุติยภูมิ
• ข้อกำหนดด้านฉนวนและความร้อน

อัตราส่วนรอบจะสร้างความสัมพันธ์ของแรงดันไฟฟ้าพื้นฐาน แต่การออกแบบหม้อแปลงที่สมบูรณ์จะกำหนดว่าส่วนประกอบจะทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในแหล่งจ่ายไฟหรือไม่