La relación de vueltas del transformador es un parámetro fundamental que se utiliza para determinar la relación de voltaje entre los devanados primario y secundario. Sin embargo, para aplicaciones de suministro de energía, calcular la relación de vueltas correcta requiere más que simplemente dividir el voltaje de entrada por el voltaje de salida.
En un transformador convencional, la relación de tensión está directamente relacionada con la relación de vueltas del devanado. En una fuente de alimentación conmutada, el diseño final del transformador también depende de la topología del convertidor, la frecuencia de conmutación, el ciclo de trabajo, la forma de onda, el método de rectificación, el núcleo magnético y el rango de voltaje de operación.
Para los ingenieros y compradores OEM que trabajan con un transformador de alta frecuencia o un transformador de fuente de alimentación conmutada, comprender estas relaciones puede hacer que la selección del transformador y el desarrollo personalizado sean más eficientes.
1. ¿Qué es la relación de vueltas del transformador?
La relación de vueltas del transformador describe la relación entre el número de vueltas del devanado primario y el número de vueltas del devanado secundario.
Para un transformador ideal:
Vp/Vs=Np/Ns
Dónde:
Vp=Tensión primaria
Vs=voltaje secundario
Np=turnos primarios
Ns=Giros secundarios
Por ejemplo, si el voltaje primario es 400 V y el voltaje secundario requerido es 40 V:
400 / 40 = 10
Por lo tanto, la relación básica de vueltas primaria-a-secundaria es:
Np : Ns=10 : 1
Este cálculo proporciona la relación de voltaje básica. Por sí solo, no determina el diseño del devanado final de un transformador de suministro de energía práctico.
2. Cómo calcular la relación de vueltas básica
El cálculo más simple se basa en el voltaje primario y secundario.
Relación de vueltas=Voltaje primario / voltaje secundario
Por ejemplo, considere un transformador con:
Tensión primaria: 240 V
Tensión secundaria: 24 V
La relación de vueltas básica es:
240 / 24 = 10
Por lo tanto:
Np : Ns=10 : 1
Si el devanado primario contiene 200 vueltas, el devanado secundario teórico contendría:
200 / 10=20 vueltas
Esto es apropiado como cálculo de transformador ideal.
Para un transformador real, el fabricante debe evaluar más a fondo las pérdidas, las condiciones de funcionamiento, el flujo magnético, la corriente del devanado y el circuito de alimentación específico.
3. Relación de vueltas primaria-a-secundaria en fuentes de alimentación conmutadas
Un transformador de fuente de alimentación conmutada funciona de forma diferente a un transformador de frecuencia de red-convencional.
El transformador normalmente es accionado por una forma de onda conmutada generada por un circuito de conmutación semiconductor. Por lo tanto, la tensión aplicada al devanado primario depende de la topología de la fuente de alimentación y de las condiciones de conmutación.
Las topologías comunes incluyen:
retorno
Adelante
Empujar-tirar
Medio-puente
Puente-completo
Debido a que estas topologías transfieren energía de manera diferente, la relación entre el voltaje de entrada, el voltaje de salida, el ciclo de trabajo y la relación de vueltas del transformador también difiere.
Es por esto que se realiza el siguiente cálculo:
Voltaje de entrada/voltaje de salida
debe tratarse como un punto de partida en lugar de la ecuación de diseño final para cada fuente de alimentación conmutada.
4. Por qué el ciclo de trabajo afecta la relación de giros
En muchas fuentes de alimentación PWM, el voltaje de salida se controla mediante el ciclo de trabajo de conmutación.
El ciclo de trabajo representa el porcentaje de cada período de conmutación durante el cual el circuito de conmutación aplica energía al transformador.
Para una relación de convertidor simplificada, el voltaje de salida se puede relacionar con el voltaje de entrada, el ciclo de trabajo y la relación de vueltas.
Una relación representativa se puede expresar como:
Vsal ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Dónde:
Vout=Voltaje de salida
Vin=Voltaje de entrada de etapa-de conmutación relevante
D=Ciclo de trabajo
Ns/Np=Relación de vueltas secundaria-a-primaria
La ecuación real depende de la topología del convertidor y la configuración del circuito.
Por esta razón, un fabricante de transformadores necesita conocer la topología de la fuente de alimentación antes de determinar la relación de vueltas final.
5. Se debe considerar el rango de voltaje de entrada
Utilizar únicamente la tensión de entrada nominal puede provocar un diseño de transformador inadecuado.
Por ejemplo, una fuente de alimentación conmutada puede funcionar desde:
300–400 VCC
en lugar de a un voltaje fijo.
El transformador debe funcionar correctamente en este rango manteniendo el voltaje de salida requerido y evitando un flujo magnético excesivo.
Al desarrollar un transformador personalizado, proporcione:
Tensión mínima de entrada
Tensión nominal de entrada
Tensión máxima de entrada
Ciclo de trabajo máximo
Frecuencia de conmutación
Voltaje de salida requerido
Corriente de salida
La relación de vueltas debe evaluarse en relación con todo el rango operativo en lugar de un valor nominal.
6. El voltaje de salida no siempre es igual al voltaje secundario del transformador
Este es uno de los errores más comunes en los cálculos de la relación de vueltas de los transformadores.
Supongamos que una fuente de alimentación requiere una salida regulada de 12 V CC.
Esto no significa necesariamente que el devanado secundario del transformador deba diseñarse simplemente para 12 V.
Entre el transformador y la salida final de CC, el circuito puede contener:
diodos rectificadores
Rectificación sincrónica
Inductores de salida
Condensadores
Circuito de regulación de voltaje
conductores de PCB
Estos componentes influyen en el voltaje real entregado a la carga.
Por lo tanto, la tensión secundaria del transformador debe determinarse de acuerdo con el circuito de alimentación completo.
Para un transformador de alta frecuencia personalizado, el fabricante debe recibir los requisitos reales del lado secundario-en lugar de solo el voltaje de salida de CC final.
7. Las caídas de voltaje afectan la relación de vueltas práctica
Un transformador ideal no tiene pérdidas eléctricas. Un transformador real lo hace.
Las caídas de tensión pueden deberse a:
Resistencia del devanado primario
Resistencia del devanado secundario
Caída de tensión del rectificador
Inductancia de fuga
Pérdidas por cambio de-dispositivo
Resistencia de PCB
Otras pérdidas del convertidor
Por ejemplo, si la salida final debe permanecer a 24 V bajo carga, es posible que el transformador deba proporcionar un voltaje secundario que compense las pérdidas de voltaje en el resto del circuito.
El monto de la compensación depende del diseño de la fuente de alimentación y de las condiciones de carga.
Por lo tanto, la relación de espiras real debe establecerse después de considerar el recorrido eléctrico completo.
8. Relación de giros y diseño de núcleo magnético
La relación de vueltas determina la relación de voltaje entre los devanados, pero el número absoluto de vueltas también debe ser compatible con el núcleo magnético.
Para un transformador de alta frecuencia, las vueltas primarias están influenciadas por:
voltaje aplicado
Frecuencia de conmutación
Ciclo de trabajo máximo
Área de sección transversal-central
Material del núcleo
Densidad de flujo máxima
Forma de onda de conmutación
Muy pocas vueltas primarias pueden provocar un flujo magnético excesivo y potencialmente llevar el núcleo hacia la saturación.
Demasiadas vueltas pueden aumentar la longitud del devanado, la pérdida de cobre, la inductancia de fuga y el tamaño del transformador.
Por lo tanto, el diseño de un transformador requiere:
La relación de vueltas correcta
y
El número absoluto correcto de vueltas.
Estos están relacionados, pero no son el mismo parámetro de diseño.
9. La relación de giros también determina la relación actual
La relación de vueltas del transformador está relacionada tanto con la corriente como con el voltaje.
Para un transformador ideal:
Ip/Es=Ns/Np
Dónde:
Ip=Corriente primaria
¿Es=corriente secundaria?
Np=turnos primarios
Ns=Giros secundarios
Esto significa que cuando se reduce el voltaje, el lado secundario generalmente transporta una corriente más alta para la misma potencia transferida.
Esto tiene un efecto directo en el diseño del devanado del transformador.
El fabricante debe seleccionar las dimensiones de los conductores y la disposición de los devanados adecuados en función de la corriente real.
Para devanados secundarios de alta-corriente, el diseño puede requerir:
Conductores más grandes
Múltiples cables paralelos
Capas de bobinado adecuadas
Disposiciones especiales de bobinado
Por lo tanto, la relación de vueltas siempre debe considerarse junto con los requisitos de potencia y corriente.
10. Ejemplo: cálculo de la relación de vueltas para una fuente de alimentación
Considere una fuente de alimentación conmutada simplificada con:
Entrada CC: 320 V
Salida requerida: 24 V
Topología de conmutación: medio-puente
Ciclo de trabajo aproximado: 50%
Una simple comparación de voltaje da:
320 / 24 = 13.33
Sin embargo, sería incorrecto especificar inmediatamente una relación de transformador de 13,33:1 sin considerar la operación de medio-puente.
El voltaje realmente aplicado al primario del transformador, el ciclo de trabajo, el método de rectificación, las pérdidas de voltaje y el rango de regulación afectan el diseño final.
Por lo tanto, el fabricante del transformador utilizaría la especificación completa de la fuente de alimentación para determinar:
Núcleo apropiado
Turnos primarios
Giros secundarios
Relación de vueltas
Tamaño del cable
Disposición de bobinado
Estructura de aislamiento
Aumento de temperatura esperado
Es por eso que el desarrollo de transformadores personalizados debe realizarse junto con el diseño del convertidor real.
11. Errores comunes en el cálculo de la relación de transformación de transformadores
Error 1: usar voltaje de entrada ÷ voltaje de salida como relación final
Esto funciona como un punto de partida ideal, pero no es suficiente para muchas aplicaciones de fuentes de alimentación conmutadas.
Error 2: ignorar la topología del convertidor
Los convertidores flyback, directo, medio-puente y-puente completo tienen diferentes relaciones de transferencia de voltaje y energía-.
Error 3: ignorar el ciclo de trabajo
El control PWM cambia el voltaje efectivo y la energía entregada a través del transformador.
Error 4: Confundir salida de CC con voltaje secundario
El voltaje CC regulado final puede diferir del voltaje secundario requerido del transformador debido a la rectificación y otras pérdidas del circuito.
Error 5: seleccionar la relación de vueltas sin verificar el flujo del núcleo
Una relación de voltaje correcta aún puede resultar en una densidad de flujo excesiva si el número absoluto de vueltas primarias es demasiado bajo.
Error 6: Ignorar la corriente del devanado
El conductor del devanado debe ser capaz de manejar el valor eficaz real y las corrientes máximas generadas por la fuente de alimentación.
12. ¿Qué información debería proporcionarle a un fabricante de transformadores personalizados?
Al solicitar un transformador personalizado para una fuente de alimentación, proporcionar información técnica completa ayuda al fabricante a evaluar el diseño correctamente.
| Parámetro | Información recomendada |
|---|---|
| Solicitud | Fuente de alimentación conmutada/convertidor/cargador/equipo industrial |
| Voltaje de entrada | Mínimo / nominal / máximo |
| Voltaje de salida | Voltaje de salida requerido |
| Corriente de salida | Clasificado/máximo |
| Fuerza | potencia nominal |
| Topología | Flyback/adelante/empujar-tirar/medio-puente/puente-completo |
| Frecuencia de conmutación | Frecuencia o rango de funcionamiento |
| Ciclo de trabajo | Rango de operación |
| Rectificación | Diodo / síncrono / otro |
| Aislamiento | Tensión de aislamiento requerida |
| Temperatura de funcionamiento | Temperatura ambiente y máxima |
| Dimensiones | Espacio máximo disponible |
| Montaje | PCB/agujero pasante-/otro |
| Cantidad | Prototipo/lote pequeño/producción en masa |
Para proyectos OEM, estos parámetros brindan al fabricante de transformadores de alta frecuencia suficiente información para evaluar el diseño magnético y del devanado en lugar de depender de especificaciones de voltaje incompletas.
13. ¿Cuándo debería trabajar con un fabricante de transformadores?
Un transformador estándar puede ser adecuado cuando el voltaje, la potencia, la frecuencia, las dimensiones y los requisitos de montaje ya coinciden con un diseño existente.
Sin embargo, para equipos OEM, es posible que sea necesario personalizar el transformador según la fuente de alimentación real.
Un fabricante de transformadores personalizados puede evaluar:
Selección de núcleo magnético
Giros primarios y secundarios.
Estructura sinuosa
Selección de cables
Aislamiento
Inductancia de fuga
Aumento de temperatura
Dimensiones mecánicas
Viabilidad de producción
Esto es particularmente importante cuando el transformador debe adaptarse a una PCB específica o funcionar dentro de un rango de temperatura y eficiencia definido.
Conclusión
El cálculo de la relación de vueltas de un transformador comienza con la relación entre el voltaje primario y secundario:
Vp/Vs=Np/Ns
Pero esta relación ideal es sólo el punto de partida para un transformador de alimentación práctico.
Para aplicaciones de conmutación, el diseño final también debe considerar la topología del convertidor, el ciclo de trabajo, el rango de voltaje de entrada, la rectificación, las pérdidas de voltaje, la frecuencia de conmutación, el núcleo magnético, la densidad de flujo, la corriente del devanado y las condiciones térmicas.
Para un transformador de alta frecuencia, la relación de vueltas correcta y el número absoluto de vueltas deben desarrollarse juntos. Un diseño adecuado debe proporcionar la transformación de voltaje requerida manteniendo al mismo tiempo el flujo magnético, las pérdidas del devanado, el aumento de temperatura y las dimensiones generales dentro de los requisitos de la aplicación.
Para proyectos de suministro de energía personalizados y OEM, proporcionar especificaciones eléctricas y mecánicas completas al fabricante del transformador es la forma más confiable de determinar el diseño de devanado primario y secundario apropiado.
Conclusiones clave
Al calcular la relación de vueltas de un transformador, siempre considere:
- Tensión primaria y secundaria
- Rango de voltaje de entrada
- Topología del convertidor
- ciclo de trabajo
- Frecuencia de conmutación
- Método de rectificación
- Caídas de voltaje y pérdidas de circuito.
- Núcleo magnético y densidad de flujo.
- Corriente primaria y secundaria
- Requisitos de aislamiento y térmicos.
La relación de vueltas establece la relación de voltaje básica, pero el diseño completo del transformador determina si el componente realmente funcionará de manera confiable en la fuente de alimentación.