Das Windungsverhältnis des Transformators ist ein grundlegender Parameter zur Bestimmung des Spannungsverhältnisses zwischen der Primär- und Sekundärwicklung. Bei Stromversorgungsanwendungen erfordert die Berechnung des richtigen Windungsverhältnisses jedoch mehr als nur die Division der Eingangsspannung durch die Ausgangsspannung.
Bei einem herkömmlichen Transformator steht das Spannungsverhältnis in direktem Zusammenhang mit dem Wicklungswindungsverhältnis. In einem Schaltnetzteil hängt das endgültige Transformatordesign auch von der Wandlertopologie, der Schaltfrequenz, dem Arbeitszyklus, der Wellenform, der Gleichrichtungsmethode, dem Magnetkern und dem Betriebsspannungsbereich ab.
Für Ingenieure und OEM-Käufer, die mit einem Hochfrequenztransformator oder Schaltnetzteiltransformator arbeiten, kann das Verständnis dieser Zusammenhänge die Transformatorauswahl und kundenspezifische Entwicklung effizienter machen.
1. Was ist das Übersetzungsverhältnis des Transformators?
Das Windungsverhältnis des Transformators beschreibt das Verhältnis zwischen der Windungszahl der Primärwicklung und der Windungszahl der Sekundärwicklung.
Für einen idealen Transformator:
Vp / Vs=Np / Ns
Wo:
Vp=Primärspannung
Vs=Sekundärspannung
Np=Primäre Runden
Ns=Sekundäre Runden
Wenn die Primärspannung beispielsweise 400 V beträgt und die erforderliche Sekundärspannung 40 V beträgt:
400 / 40 = 10
Das grundlegende Verhältnis von Primär--zu-Sekundärwindungen ist daher:
Np : Ns=10 : 1
Diese Berechnung liefert die grundlegende Spannungsbeziehung. Sie allein bestimmt nicht das endgültige Wicklungsdesign eines praktischen Stromversorgungstransformators.
2. So berechnen Sie das grundlegende Windungsverhältnis
Die einfachste Berechnung basiert auf der Primär- und Sekundärspannung.
Windungsverhältnis=Primärspannung / Sekundärspannung
Betrachten Sie beispielsweise einen Transformator mit:
Primärspannung: 240 V
Sekundärspannung: 24 V
Das grundlegende Windungsverhältnis ist:
240 / 24 = 10
Daher:
Np : Ns=10 : 1
Wenn die Primärwicklung 200 Windungen enthält, würde die theoretische Sekundärwicklung Folgendes enthalten:
200 / 10=20 Runden
Dies ist als ideale Transformatorberechnung geeignet.
Für einen tatsächlichen Transformator muss der Hersteller die Verluste, die Betriebsbedingungen, den magnetischen Fluss, den Wicklungsstrom und den spezifischen Stromversorgungskreis weiter bewerten.
3. Primär-zu-Sekundärwindungsverhältnis in Schaltnetzteilen
Ein Schaltnetzteiltransformator funktioniert anders als ein herkömmlicher Netzfrequenztransformator.
Der Transformator wird normalerweise durch eine geschaltete Wellenform angetrieben, die von einem Halbleiterschaltkreis erzeugt wird. Die an der Primärwicklung anliegende Spannung hängt daher von der Topologie der Stromversorgung und den Schaltbedingungen ab.
Zu den gängigen Topologien gehören:
Rückflug
Nach vorne
Drücken-ziehen
Halb-Brücke
Vollständige-Brücke
Da diese Topologien Energie unterschiedlich übertragen, unterscheidet sich auch die Beziehung zwischen Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Arbeitszyklus und Transformator-Windungsverhältnis.
Deshalb folgende Rechnung:
Eingangsspannung / Ausgangsspannung
sollte als Ausgangspunkt und nicht als endgültige Entwurfsgleichung für jedes Schaltnetzteil betrachtet werden.
4. Warum sich der Arbeitszyklus auf das Windungsverhältnis auswirkt
Bei vielen PWM-Netzteilen wird die Ausgangsspannung über das Schaltverhältnis gesteuert.
Der Arbeitszyklus stellt den Prozentsatz jeder Schaltperiode dar, während der der Schaltkreis Energie an den Transformator liefert.
Für eine vereinfachte Wandlerbeziehung kann die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung, dem Arbeitszyklus und dem Windungsverhältnis in Beziehung gesetzt werden.
Eine repräsentative Beziehung kann ausgedrückt werden als:
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Wo:
Vout=Ausgangsspannung
Vin=Relevante Schaltstufe-Eingangsspannung
D=Arbeitszyklus
Ns/Np=Sekundär--zu-Primärwindungsverhältnis
Die tatsächliche Gleichung hängt von der Wandlertopologie und der Schaltungskonfiguration ab.
Aus diesem Grund muss ein Transformatorhersteller die Topologie der Stromversorgung kennen, bevor er das endgültige Windungsverhältnis bestimmen kann.
5. Der Eingangsspannungsbereich muss berücksichtigt werden
Die alleinige Verwendung der Nenneingangsspannung kann zu einer ungeeigneten Transformatorauslegung führen.
Ein Schaltnetzteil kann beispielsweise wie folgt betrieben werden:
300–400 V Gleichstrom
statt bei einer festen Spannung.
Der Transformator muss in diesem Bereich ordnungsgemäß funktionieren, dabei die erforderliche Ausgangsspannung aufrechterhalten und einen übermäßigen magnetischen Fluss vermeiden.
Stellen Sie bei der Entwicklung eines benutzerdefinierten Transformators Folgendes bereit:
Minimale Eingangsspannung
Nenneingangsspannung
Maximale Eingangsspannung
Maximaler Arbeitszyklus
Schaltfrequenz
Erforderliche Ausgangsspannung
Ausgangsstrom
Das Windungsverhältnis sollte anhand des gesamten Betriebsbereichs und nicht anhand eines Nennwerts bewertet werden.
6. Die Ausgangsspannung ist nicht immer gleich der Sekundärspannung des Transformators
Dies ist einer der häufigsten Fehler bei der Berechnung des Übersetzungsverhältnisses von Transformatoren.
Angenommen, ein Netzteil benötigt einen geregelten 12-V-Gleichstromausgang.
Dies bedeutet nicht unbedingt, dass die Sekundärwicklung des Transformators einfach für 12 V ausgelegt sein muss.
Zwischen dem Transformator und dem endgültigen Gleichstromausgang kann der Schaltkreis Folgendes enthalten:
Gleichrichterdioden
Synchrongleichrichtung
Ausgangsinduktivitäten
Kondensatoren
Schaltung zur Spannungsregelung
Leiterplattenleiter
Diese Komponenten beeinflussen die tatsächlich an die Last gelieferte Spannung.
Die Sekundärspannung des Transformators muss daher entsprechend dem gesamten Stromversorgungskreis ermittelt werden.
Für einen kundenspezifischen Hochfrequenztransformator sollte der Hersteller die tatsächlichen sekundärseitigen Anforderungen und nicht nur die endgültige DC-Ausgangsspannung erhalten.
7. Spannungsabfälle beeinflussen das praktische Windungsverhältnis
Ein idealer Transformator hat keine elektrischen Verluste. Ein echter Transformator tut es.
Spannungsabfälle können folgende Ursachen haben:
Primärwicklungswiderstand
Sekundärwicklungswiderstand
Spannungsabfall am Gleichrichter
Streuinduktivität
Geräteverluste beim Wechsel-
PCB-Widerstand
Sonstige Wandlerverluste
Wenn beispielsweise der Endausgang unter Last bei 24 V bleiben muss, muss der Transformator möglicherweise eine Sekundärspannung bereitstellen, die die Spannungsverluste im Rest des Stromkreises ausgleicht.
Die Höhe der Kompensation hängt von der Auslegung des Netzteils und den Lastbedingungen ab.
Daher sollte das tatsächliche Windungsverhältnis unter Berücksichtigung des gesamten elektrischen Pfads ermittelt werden.
8. Windungsverhältnis und Magnetkerndesign
Das Windungsverhältnis bestimmt das Spannungsverhältnis zwischen den Wicklungen, aber auch die absolute Windungszahl muss mit dem Magnetkern kompatibel sein.
Bei einem Hochfrequenztransformator werden die Primärwindungen beeinflusst durch:
Anliegende Spannung
Schaltfrequenz
Maximaler Arbeitszyklus
Kernquerschnittsfläche-
Kernmaterial
Maximale Flussdichte
Schaltwellenform
Zu wenige Primärwindungen können zu einem übermäßigen Magnetfluss führen und den Kern möglicherweise in die Sättigung treiben.
Zu viele Windungen können die Wicklungslänge, den Kupferverlust, die Streuinduktivität und die Transformatorgröße erhöhen.
Daher erfordert die Transformatorkonstruktion beides:
Das richtige Windungsverhältnis
Und
Die richtige absolute Anzahl an Umdrehungen.
Diese hängen zusammen, sind aber nicht die gleichen Designparameter.
9. Das Windungsverhältnis bestimmt auch die aktuelle Beziehung
Das Windungsverhältnis des Transformators hängt sowohl vom Strom als auch von der Spannung ab.
Für einen idealen Transformator:
Ip / Is=Ns / Np
Wo:
Ip=Primärstrom
Ist=Sekundärstrom
Np=Primäre Runden
Ns=Sekundäre Runden
Dies bedeutet, dass bei einer Spannungsreduzierung die Sekundärseite bei gleicher übertragener Leistung im Allgemeinen einen höheren Strom führt.
Dies hat direkte Auswirkungen auf die Auslegung der Transformatorwicklung.
Der Hersteller muss entsprechend der tatsächlichen Stromstärke geeignete Leiterdimensionen und Wicklungsanordnungen auswählen.
Für Hochstrom-Sekundärwicklungen kann das Design Folgendes erfordern:
Größere Leiter
Mehrere parallele Drähte
Passende Wickellagen
Spezielle Wicklungsanordnungen
Daher sollte das Windungsverhältnis immer zusammen mit den Leistungs- und Stromanforderungen berücksichtigt werden.
10. Beispiel: Berechnung des Windungsverhältnisses für ein Netzteil
Betrachten Sie ein vereinfachtes Schaltnetzteil mit:
DC-Eingang: 320 V
Erforderlicher Ausgang: 24 V
Schalttopologie: Halb-Brücke
Ungefährer Arbeitszyklus: 50 %
Ein einfacher Spannungsvergleich ergibt:
320 / 24 = 13.33
Es wäre jedoch falsch, sofort ein Transformatorverhältnis von 13,33:1 anzugeben, ohne den Halbbrückenbetrieb zu berücksichtigen.
Die tatsächlich an der Primärwicklung des Transformators anliegende Spannung, das Tastverhältnis, die Gleichrichtungsmethode, die Spannungsverluste und der Regelbereich wirken sich alle auf das endgültige Design aus.
Der Transformatorhersteller würde daher die vollständige Spezifikation des Netzteils verwenden, um Folgendes zu bestimmen:
Passender Kern
Primäre Wendungen
Sekundäre Wendungen
Windungsverhältnis
Drahtgröße
Wicklungsanordnung
Isolierstruktur
Erwarteter Temperaturanstieg
Aus diesem Grund sollte die kundenspezifische Transformatorentwicklung zusammen mit dem eigentlichen Wandlerdesign durchgeführt werden.
11. Häufige Fehler bei der Berechnung des Übersetzungsverhältnisses von Transformatoren
Fehler 1: Eingangsspannung : Ausgangsspannung als endgültiges Verhältnis verwenden
Dies ist ein idealer Ausgangspunkt, reicht jedoch für viele Schaltnetzteilanwendungen nicht aus.
Fehler 2: Ignorieren der Konvertertopologie
Sperr-, Vorwärts-, Halbbrücken- und Vollbrückenwandler weisen unterschiedliche Spannungs- und Energieübertragungsbeziehungen auf.
Fehler 3: Arbeitszyklus ignorieren
Die PWM-Steuerung ändert die effektive Spannung und Energie, die durch den Transformator geliefert wird.
Fehler 4: Gleichstromausgang mit Sekundärspannung verwechseln
Die endgültige geregelte Gleichspannung kann aufgrund von Gleichrichtungs- und anderen Schaltungsverlusten von der erforderlichen Sekundärspannung des Transformators abweichen.
Fehler 5: Windungsverhältnis auswählen, ohne den Kernfluss zu überprüfen
Ein korrektes Spannungsverhältnis kann dennoch zu einer zu hohen Flussdichte führen, wenn die absolute Anzahl der Primärwindungen zu niedrig ist.
Fehler 6: Wicklungsstrom ignorieren
Der Wicklungsleiter muss in der Lage sein, die von der Stromversorgung erzeugten tatsächlichen Effektiv- und Spitzenströme zu verarbeiten.
12. Welche Informationen sollten Sie einem Hersteller von kundenspezifischen Transformatoren geben?
Wenn Sie einen kundenspezifischen Transformator für eine Stromversorgung anfordern, hilft die Bereitstellung vollständiger technischer Informationen dem Hersteller, das Design richtig zu bewerten.
| Parameter | Empfohlene Informationen |
|---|---|
| Anwendung | Schaltnetzteil / Konverter / Ladegerät / Industrieausrüstung |
| Eingangsspannung | Minimum / Nominal / Maximum |
| Ausgangsspannung | Erforderliche Ausgangsspannung |
| Ausgangsstrom | Bewertet / maximal |
| Leistung | Nennleistung |
| Topologie | Flyback / Vorwärts / Push{0}}Pull / Halb-Brücke / Voll-Brücke |
| Schaltfrequenz | Betriebsfrequenz oder -bereich |
| Arbeitszyklus | Betriebsbereich |
| Berichtigung | Diode / synchron / andere |
| Isolierung | Erforderliche Isolationsspannung |
| Betriebstemperatur | Umgebungs- und Maximaltemperatur |
| Abmessungen | Maximal verfügbarer Platz |
| Montage | PCB / Durchgangsloch / Sonstiges |
| Menge | Prototyp / Kleinserie / Massenproduktion |
Bei OEM-Projekten liefern diese Parameter einem Hochfrequenztransformatorhersteller genügend Informationen, um das Magnet- und Wicklungsdesign zu bewerten, anstatt sich auf unvollständige Spannungsspezifikationen zu verlassen.
13. Wann sollten Sie mit einem Transformatorhersteller zusammenarbeiten?
Ein Standardtransformator kann geeignet sein, wenn Spannung, Leistung, Frequenz, Abmessungen und Montageanforderungen bereits mit einem vorhandenen Design übereinstimmen.
Bei OEM-Geräten muss der Transformator jedoch möglicherweise an die tatsächliche Stromversorgung angepasst werden.
Ein Hersteller kundenspezifischer Transformatoren kann Folgendes bewerten:
Auswahl des Magnetkerns
Primär- und Sekundärdrehungen
Wicklungsstruktur
Drahtauswahl
Isolierung
Streuinduktivität
Temperaturanstieg
Mechanische Abmessungen
Machbarkeit der Produktion
Dies ist besonders wichtig, wenn der Transformator auf eine bestimmte Leiterplatte passen oder innerhalb eines definierten Effizienz- und Temperaturbereichs arbeiten muss.
Abschluss
Die Berechnung des Windungsverhältnisses eines Transformators beginnt mit der Beziehung zwischen Primär- und Sekundärspannung:
Vp / Vs=Np / Ns
Dieses ideale Verhältnis ist jedoch nur der Ausgangspunkt für einen praktischen Stromversorgungstransformator.
Für Schaltanwendungen muss das endgültige Design auch Wandlertopologie, Arbeitszyklus, Eingangsspannungsbereich, Gleichrichtung, Spannungsverluste, Schaltfrequenz, Magnetkern, Flussdichte, Wicklungsstrom und thermische Bedingungen berücksichtigen.
Für einen Hochfrequenztransformator müssen das richtige Windungsverhältnis und die absolute Windungszahl gemeinsam entwickelt werden. Ein geeignetes Design sollte die erforderliche Spannungsumwandlung ermöglichen und gleichzeitig den magnetischen Fluss, die Wicklungsverluste, den Temperaturanstieg und die Gesamtabmessungen innerhalb der Anwendungsanforderungen halten.
Bei OEM- und kundenspezifischen Stromversorgungsprojekten ist die Bereitstellung vollständiger elektrischer und mechanischer Spezifikationen an den Transformatorhersteller die zuverlässigste Methode zur Bestimmung des geeigneten Primär- und Sekundärwicklungsdesigns.
Wichtige Erkenntnisse
Berücksichtigen Sie bei der Berechnung des Windungsverhältnisses eines Transformators immer Folgendes:
- Primär- und Sekundärspannung
- Eingangsspannungsbereich
- Konvertertopologie
- Arbeitszyklus
- Schaltfrequenz
- Korrekturmethode
- Spannungsabfälle und Stromkreisverluste
- Magnetkern und Flussdichte
- Primär- und Sekundärstrom
- Isolierung und thermische Anforderungen
Das Windungsverhältnis legt das grundlegende Spannungsverhältnis fest, aber das gesamte Transformatordesign bestimmt, ob die Komponente in der Stromversorgung tatsächlich zuverlässig funktioniert.