Le rapport de transformation du transformateur est un paramètre fondamental utilisé pour déterminer la relation de tension entre les enroulements primaire et secondaire. Cependant, pour les applications d'alimentation électrique, le calcul du rapport de transformation correct nécessite plus que simplement diviser la tension d'entrée par la tension de sortie.
Dans un transformateur conventionnel, le rapport de tension est directement lié au rapport de spires de l'enroulement. Dans une alimentation à découpage, la conception finale du transformateur dépend également de la topologie du convertisseur, de la fréquence de commutation, du rapport cyclique, de la forme d'onde, de la méthode de rectification, du noyau magnétique et de la plage de tension de fonctionnement.
Pour les ingénieurs et les acheteurs OEM travaillant avec un transformateur haute fréquence ou un transformateur d'alimentation à découpage, la compréhension de ces relations peut rendre la sélection du transformateur et le développement personnalisé plus efficaces.
1. Qu'est-ce que le rapport de transformation du transformateur ?
Le rapport de tours du transformateur décrit la relation entre le nombre de tours sur l'enroulement primaire et le nombre de tours sur l'enroulement secondaire.
Pour un transformateur idéal :
Vp/Vs=Np/Ns
Où:
Vp=Tension primaire
Vs=Tension secondaire
Np=tours principaux
Ns=Virages secondaires
Par exemple, si la tension primaire est de 400 V et la tension secondaire requise est de 40 V :
400 / 40 = 10
Le rapport de base entre les tours primaires-et-secondaires est donc :
Np : Ns=10 : 1
Ce calcul fournit la relation de tension de base. Il ne détermine pas, à lui seul, la conception finale de l’enroulement d’un transformateur d’alimentation pratique.
2. Comment calculer le rapport de rotation de base
Le calcul le plus simple est basé sur la tension primaire et secondaire.
Rapport de transformation=Tension primaire / Tension secondaire
Par exemple, considérons un transformateur avec :
Tension primaire : 240 V
Tension secondaire : 24 V
Le rapport de rotation de base est :
240 / 24 = 10
Donc:
Np : Ns=10 : 1
Si l'enroulement primaire contient 200 spires, l'enroulement secondaire théorique contiendrait :
200 / 10=20 tours
Ceci est approprié comme calcul de transformateur idéal.
Pour un transformateur réel, le fabricant doit évaluer davantage les pertes, les conditions de fonctionnement, le flux magnétique, le courant d'enroulement et le circuit d'alimentation spécifique.
3. Rapport de transformation primaire-à-secondaire dans les alimentations à découpage
Un transformateur d'alimentation à découpage fonctionne différemment d'un transformateur de fréquence secteur-classique.
Le transformateur est normalement piloté par une forme d'onde commutée générée par un circuit de commutation à semi-conducteur. La tension appliquée à l'enroulement primaire dépend donc de la topologie de l'alimentation et des conditions de commutation.
Les topologies courantes incluent :
Retour en arrière
Avant
Pousser-tirer
Demi-pont-
Pont complet-
Étant donné que ces topologies transfèrent l'énergie différemment, la relation entre la tension d'entrée, la tension de sortie, le rapport cyclique et le rapport de transformation du transformateur diffère également.
C'est pourquoi le calcul suivant :
Tension d'entrée/Tension de sortie
doit être traité comme un point de départ plutôt que comme l'équation de conception finale pour chaque alimentation à découpage.
4. Pourquoi le cycle de service affecte le rapport de rotation
Dans de nombreuses alimentations PWM, la tension de sortie est contrôlée via le cycle de commutation.
Le rapport cyclique représente le pourcentage de chaque période de commutation pendant lequel le circuit de commutation applique de l'énergie au transformateur.
Pour une relation de convertisseur simplifiée, la tension de sortie peut être liée à la tension d'entrée, au rapport cyclique et au rapport de transformation.
Une relation représentative peut être exprimée comme suit :
Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)
Où:
Vout=Tension de sortie
Vin=Tension d'entrée de l'étage de commutation- pertinent
D=Cycle de service
Ns/Np=Rapport de spires secondaire-à-primaire
L'équation réelle dépend de la topologie du convertisseur et de la configuration du circuit.
Pour cette raison, un fabricant de transformateurs doit connaître la topologie de l’alimentation avant de déterminer le rapport de transformation final.
5. La plage de tension d'entrée doit être prise en compte
L’utilisation uniquement de la tension d’entrée nominale peut conduire à une conception de transformateur inadaptée.
Par exemple, une alimentation à découpage peut fonctionner à partir de :
300 à 400 V CC
plutôt qu'à une tension fixe.
Le transformateur doit fonctionner correctement sur cette plage tout en maintenant la tension de sortie requise et en évitant un flux magnétique excessif.
Lors du développement d’un transformateur personnalisé, fournissez :
Tension d'entrée minimale
Tension d'entrée nominale
Tension d'entrée maximale
Cycle de service maximal
Fréquence de commutation
Tension de sortie requise
Courant de sortie
Le rapport de rotation doit être évalué par rapport à la plage de fonctionnement complète plutôt qu'à une valeur nominale.
6. La tension de sortie n'est pas toujours égale à la tension secondaire du transformateur
C’est l’une des erreurs les plus courantes dans les calculs du rapport de transformation des transformateurs.
Supposons qu'une alimentation nécessite une sortie régulée de 12 V CC.
Cela ne signifie pas nécessairement que l'enroulement secondaire du transformateur doit simplement être conçu pour 12 V.
Entre le transformateur et la sortie DC finale, le circuit peut contenir :
Diodes de redressement
Rectification synchrone
Inductances de sortie
Condensateurs
Circuit de régulation de tension
Conducteurs PCB
Ces composants influencent la tension réelle délivrée à la charge.
La tension secondaire du transformateur doit donc être déterminée en fonction de l'ensemble du circuit d'alimentation.
Pour un transformateur haute fréquence personnalisé, le fabricant doit recevoir les exigences réelles du côté secondaire- plutôt que uniquement la tension de sortie CC finale.
7. Les chutes de tension affectent le rapport de transformation pratique
Un transformateur idéal n’a aucune perte électrique. Un vrai transformateur le fait.
Les chutes de tension peuvent résulter de :
Résistance de l'enroulement primaire
Résistance de l'enroulement secondaire
Chute de tension du redresseur
Inductance de fuite
Changement-de pertes d'appareil
Résistance des PCB
Autres pertes du convertisseur
Par exemple, si la sortie finale doit rester à 24 V sous charge, le transformateur devra peut-être fournir une tension secondaire qui compense les pertes de tension dans le reste du circuit.
Le montant de la compensation dépend de la conception de l'alimentation électrique et des conditions de charge.
Par conséquent, le rapport de transformation réel doit être établi après avoir pris en compte l’ensemble du trajet électrique.
8. Rapport de rotation et conception du noyau magnétique
Le rapport de spires détermine la relation de tension entre les enroulements, mais le nombre absolu de spires doit également être compatible avec le noyau magnétique.
Pour un transformateur haute fréquence, les spires primaires sont influencées par :
Tension appliquée
Fréquence de commutation
Cycle de service maximal
Section transversale centrale-
Matériau de base
Densité de flux maximale
Forme d'onde de commutation
Trop peu de spires primaires peuvent entraîner un flux magnétique excessif et potentiellement conduire le noyau vers la saturation.
Trop de tours peuvent augmenter la longueur de l'enroulement, la perte de cuivre, l'inductance de fuite et la taille du transformateur.
Par conséquent, la conception d’un transformateur nécessite à la fois :
Le bon rapport de tours
et
Le nombre absolu correct de tours.
Ceux-ci sont liés, mais ce ne sont pas les mêmes paramètres de conception.
9. Le rapport de rotation détermine également la relation actuelle
Le rapport de transformation du transformateur est lié au courant ainsi qu'à la tension.
Pour un transformateur idéal :
Ip / Est=Ns / Np
Où:
Ip=Courant primaire
Est-ce que=courant secondaire
Np=tours principaux
Ns=Virages secondaires
Cela signifie que lorsque la tension diminue, le côté secondaire transporte généralement un courant plus élevé pour la même puissance transférée.
Cela a un effet direct sur la conception des enroulements du transformateur.
Le fabricant doit sélectionner les dimensions des conducteurs et la disposition des enroulements appropriées en fonction du courant réel.
Pour les enroulements secondaires-à courant élevé, la conception peut nécessiter :
Conducteurs plus gros
Plusieurs fils parallèles
Couches de bobinage appropriées
Dispositions de bobinage spéciales
Par conséquent, le rapport de transformation doit toujours être pris en compte avec les exigences de puissance et de courant.
10. Exemple : calcul du rapport de transformation pour une alimentation
Considérons une alimentation à découpage simplifiée avec :
Entrée CC : 320 V
Sortie requise : 24 V
Topologie de commutation : demi-pont-
Cycle de service approximatif : 50 %
Une simple comparaison de tension donne :
320 / 24 = 13.33
Cependant, il serait incorrect de spécifier immédiatement un rapport de transformateur de 13,33 : 1 sans prendre en compte le fonctionnement en demi-pont-.
La tension réellement appliquée au primaire du transformateur, le cycle de service, la méthode de rectification, les pertes de tension et la plage de régulation affectent tous la conception finale.
Le fabricant du transformateur utiliserait donc la spécification complète de l’alimentation électrique pour déterminer :
Noyau approprié
Tours primaires
Tours secondaires
Rapport de tours
Taille du fil
Disposition des enroulements
Structure d'isolation
Hausse de température attendue
C'est pourquoi le développement de transformateurs personnalisés doit être réalisé en même temps que la conception réelle du convertisseur.
11. Erreurs courantes de calcul du rapport de transformation du transformateur
Erreur 1 : utiliser la tension d'entrée ÷ la tension de sortie comme rapport final
Cela fonctionne comme un point de départ idéal mais n'est pas suffisant pour de nombreuses applications d'alimentation à découpage.
Erreur 2 : ignorer la topologie du convertisseur
Les convertisseurs flyback, forward, demi--pont et-pont complet ont des relations de transfert de tension et d'énergie différentes.
Erreur 3 : ignorer le cycle de service
Le contrôle PWM modifie la tension effective et l'énergie fournie par le transformateur.
Erreur 4 : Confondre la sortie CC avec la tension secondaire
La tension continue régulée finale peut différer de la tension secondaire requise du transformateur en raison du redressement et d'autres pertes de circuit.
Erreur 5 : Sélectionner le rapport de rotation sans vérifier le flux de base
Un rapport de tension correct peut toujours entraîner une densité de flux excessive si le nombre absolu de spires primaires est trop faible.
Erreur 6 : ignorer le courant d'enroulement
Le conducteur d'enroulement doit être capable de gérer les courants efficaces réels et les courants de crête générés par l'alimentation.
12. Quelles informations devez-vous fournir à un fabricant de transformateurs personnalisés ?
Lors de la demande d'un transformateur personnalisé pour une alimentation électrique, la fourniture d'informations techniques complètes aide le fabricant à évaluer correctement la conception.
| Paramètre | Informations recommandées |
|---|---|
| Application | Alimentation à découpage/convertisseur/chargeur/équipement industriel |
| Tension d'entrée | Minimum / nominal / maximum |
| Tension de sortie | Tension de sortie requise |
| Courant de sortie | Nominal / maximum |
| Pouvoir | Puissance nominale |
| Topologie | Flyback/avant/push-pull/demi-pont/plein-pont |
| Fréquence de commutation | Fréquence ou plage de fonctionnement |
| Cycle de service | Plage de fonctionnement |
| Rectification | Diode / synchrone / autre |
| Isolement | Tension d'isolement requise |
| Température de fonctionnement | Température ambiante et maximale |
| Dimensions | Espace disponible maximum |
| Montage | PCB / traversant-trou / autre |
| Quantité | Prototype / petit lot / production de masse |
Pour les projets OEM, ces paramètres fournissent au fabricant de transformateurs haute fréquence suffisamment d'informations pour évaluer la conception magnétique et de l'enroulement au lieu de s'appuyer sur des spécifications de tension incomplètes.
13. Quand devriez-vous travailler avec un fabricant de transformateurs ?
Un transformateur standard peut convenir lorsque la tension, la puissance, la fréquence, les dimensions et les exigences de montage correspondent déjà à une conception existante.
Cependant, pour les équipements OEM, le transformateur devra peut-être être personnalisé en fonction de l'alimentation électrique réelle.
Un fabricant de transformateurs personnalisés peut évaluer :
Sélection du noyau magnétique
Tours primaires et secondaires
Structure d'enroulement
Sélection des fils
Isolation
Inductance de fuite
Augmentation de la température
Dimensions mécaniques
Faisabilité de production
Ceci est particulièrement important lorsque le transformateur doit s'adapter à un PCB spécifique ou fonctionner dans une plage d'efficacité et de température définie.
Conclusion
Le calcul du rapport de transformation d'un transformateur commence par la relation entre la tension primaire et secondaire :
Vp/Vs=Np/Ns
Mais cette relation idéale n’est que le point de départ d’un transformateur d’alimentation pratique.
Pour les applications de commutation, la conception finale doit également prendre en compte la topologie du convertisseur, le rapport cyclique, la plage de tension d'entrée, le redressement, les pertes de tension, la fréquence de commutation, le noyau magnétique, la densité de flux, le courant d'enroulement et les conditions thermiques.
Pour un transformateur haute fréquence, le rapport de spires correct et le nombre absolu de spires doivent être développés ensemble. Une conception appropriée doit fournir la transformation de tension requise tout en maintenant le flux magnétique, les pertes d'enroulement, l'échauffement et les dimensions globales dans les limites des exigences de l'application.
Pour les projets d’alimentation OEM et personnalisés, fournir des spécifications électriques et mécaniques complètes au fabricant du transformateur est le moyen le plus fiable de déterminer la conception appropriée des enroulements primaires et secondaires.
Points clés à retenir
Lors du calcul du rapport de transformation d'un transformateur, tenez toujours compte de :
- Tension primaire et secondaire
- Plage de tension d'entrée
- Topologie du convertisseur
- Cycle de service
- Fréquence de commutation
- Méthode de rectification
- Chutes de tension et pertes de circuit
- Noyau magnétique et densité de flux
- Courant primaire et secondaire
- Exigences d’isolation et thermiques
Le rapport de transformation établit la relation de tension de base, mais la conception complète du transformateur détermine si le composant fonctionnera réellement de manière fiable dans l'alimentation électrique.