طراحی ترانسفورماتور برای مدار تغذیه SMPS

طراحی مدار کارآمد منبع تغذیه، چالش کمتری ندارد. کسانی که قبلاً با مدار های SMPS کار کرده اند به راحتی موافقت می کنند که طراحی ترانسفورماتور فلای بک در طراحی یک مدار منبع تغذیه کارآمد نقشی اساسی دارد. بیشتر اوقات این ترانسفورماتور ها دقیقاً با همان پارامتر مناسب طرح ما در دسترس نیستند.

بنابراین در این آموزش طراحی ترانسفورماتور، ما خواهیم آموخت که چگونه ترانسفورماتور خود را همانطور که در طراحی مدار ما لازم است، بسازیم. توجه داشته باشید که این آموزش تنها نظریه ای را پوشش می دهد که بعداً در آموزش دیگری مدار 5V 2A SMPS با ترانسفورماتور دست ساز را، همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است، برای مواجهه عملی ساختیم. اگر در ترانسفورماتور کاملاً تازه کار هستید، لطفاً مقاله ترانسفورماتور چیست و مقاله انواع ترانسفورماتور را بخوانید.

قطعات ترانسفورماتور SMPS

یک طرح ترانسفورماتور SMPS ، دارای قسمت های مختلف ترانسفورماتور است که مستقیماً وظیفه عملکرد ترانسفورماتور را بر عهده دارند. بخش های موجود در یک ترانسفورماتور در زیر توضیح داده شده است، ما اهمیت هر بخش و نحوه انتخاب آن برای طراحی ترانسفورماتور را یاد خواهیم گرفت. این بخش ها در بیشتر موارد، برای انواع دیگری از ترانسفورماتور ها نیز یکسان هستند.

هسته

SMPS  مخفف واحد تغذیه حالت سوئیچ است. خصوصیات ترانسفورماتور SMPS بسیار به فرکانس عملکرد آنها بستگی دارد. فرکانس سوئیچینگ بالا امکان انتخاب ترانسفورماتور های SMPS کوچکتر را با این فرکانس بالا فراهم می کند، ترانسفورماتور های SMPS از هسته های فریت استفاده می کنند.

طراحی هسته ترانسفورماتور، مهمترین چیز در ساخت ترانسفورماتور SMPS است. یک هسته بسته به ماده هسته، اندازه هسته و نوع هسته، نوع متفاوتی از AL (ضریب القایی هسته غیر شکافدار) دارد. انواع محبوب مواد هسته عبارتند از N67، N87، N27، N26، PC47، PC95 و غیره. همچنین، سازنده هسته های فریت، پارامترهای مفصلی را در صفحه داده ارائه می دهد که هنگام انتخاب هسته، برای ترانسفورماتور شما مفید خواهد بود.

به عنوان مثال، در اینجا یک دیتاشیت از هسته محبوب EE25 وجود قرار دارد.

تصویر فوق، دیتاشیت هسته اصلی EE25 از مواد PC47 یک تولید کننده هسته محبوب TDK است. هر یک از این اطلاعات برای ساخت ترانسفورماتور مورد نیاز است. با این حال، هسته ها با ولتاژ خروجی رابطه مستقیم دارند، بنابراین برای وات های مختلف SMPS، شکل و اندازه مختلفی از هسته لازم است.

در اینجا لیستی از هسته ها، بسته به وات وجود دارد. این لیست بر اساس ساخت 0-100 وات است. منبع لیست از مستندات Power Integration گرفته شده است. این جدول برای انتخاب هسته مناسب برای طراحی ترانسفورماتور شما بر اساس میزان توان الکتریکی آن، مفید خواهد بود.

در اینجا اصطلاح TIW مخفف Triple insulated wire avakirina است. هسته های E محبوب ترین ها هستند و به طور گسترده ای در ترانسفورماتور های SMPS استفاده می شوند. با این حال، هسته های E چندین نمونه دارند، مانند EE، EI، EFD، ER، و غیره. همه آنها مانند حرف “E” هستند، اما قسمت مرکزی برای هر ماده متفاوت است. انواع متداول هسته های E در زیر با کمک تصاویر نشان داده شده است.

قرقره

قرقره، محفظه هسته ها و سیم پیچ ها است. یک قرقره دارای عرض موثری است که برای محاسبه قطر سیم و ساختار ترانسفورماتور ضروری است. نه تنها این، یک قرقره ترانسفورماتور، همچنین دارای یک علامت نقطه ای است که اطلاعات سیم پیچ های اولیه را فراهم می کند. در زیر ترانسفورماتورEE16  که معمولاً استفاده می شود نشان داده شده است.

سیم پیچی اولیه

سیم پیچ ترانسفورماتور SMPS دارای یک سیم پیچ اولیه و حداقل یک سیم پیچ ثانویه است، بر اساس طراحی، ممکن است سیم پیچ ثانویه یا سیم پیچ کمکی داشته باشد. سیم پیچ اولیه، اولین و درونی ترین سیم پیچ ترانسفورماتور است. این مستقیماً به سمت اولیه SMPS متصل است. معمولاً تعداد سیم پیچ های سمت اولیه بیشتر از سایر سیم پیچ های ترانسورماتور است. یافتن سیم پیچ اولیه در ترانسفورماتور آسان است. فقط کافی است سمت نقطه ترانسفورماتور را از نظر سیم پیچ اولیه بررسی کنید. عموماً در سمت ولتاژ بالای ماسفت قرار دارد.

در یک شماتیک SMPS، می توانید ولتاژ بالا DC را از خازن ولتاژ بالا متصل به سمت اولیه ترانسفورماتور مشاهده کنید و انتهای دیگر آن با درایور برق (پین تخلیه داخلی ماسفت) یا با پین تخلیه ماسفت ولتاژ بالا جداگانه متصل است .

سیم پیچ ثانویه

سیم پیچ ثانویه ولتاژ و همچنین جریان سمت اولیه را به مقدار مورد نیاز تبدیل می کند. فهمیدن خروجی ثانویه کمی پیچیده است، زیرا در برخی از طرح های SMPS ترانسفورماتور، معمولاً چندین خروجی ثانویه دارد. با این حال، سمت خروجی یا ولتاژ پایین مدار SMPS به طور کلی به سیم پیچ ثانویه متصل است. یک طرف سیم پیچ ثانویه DC،GND  است و طرف دیگر از طریق دیود خروجی متصل است.

همانطور که بحث شد، یک ترانسفورماتور SMPS می تواند چندین خروجی داشته باشد. بنابراین یک ترانسفورماتور SMPS همچنین می تواند سیم پیچ ثانویه متعددی داشته باشد

سیم پیچ های کمکی

انواع مختلفی از طراحی SMPS وجود دارد که مدار درایور برای تأمین انرژی IC درایور به منبع ولتاژ اضافی نیاز دارد. سیم پیچ کمکی برای تأمین این ولتاژ اضافی به مدار درایور استفاده می شود. به عنوان مثال اگر IC درایور شما با ولتاژ 12 ولت کار می کند، ترانسفورماتور SMPS دارای یک سیم پیچ خروجی کمکی است که می تواند برای تأمین انرژی این IC استفاده شود.

نوار عایق

ترانسفورماتور ها اتصالی الکتریکی بین سیم پیچ های مختلف ندارند. بنابراین، قبل از بسته بندی سیم پیچ های مختلف، لازم است نوارهای عایق برای جدا شدن در اطراف سیم پیچ ها بپیچید. نوارهای عایق پلی استر معمولی با عرض های مختلفی برای انواع مختلف قرقره استفاده می شود. ضخامت نوارها برای تهیه عایق باید 2 میلی لیتر باشد.

مراحل طراحی ترانسفورماتور:

اکنون که با عناصر اساسی در ترانسفورماتور آشنا شدیم، می توانیم مراحل زیر را برای طراحی ترانسفورماتور خود دنبال کنیم.

مرحله 1: هسته مناسب را برای خروجی مورد نظر پیدا کنید. هسته های مناسبی را که در بخش فوق ذکر شده اند انتخاب کنید.

مرحله 2: پیدا کردن پیچ های اولیه و ثانویه.

پیچ های اولیه و ثانویه بهم پیوسته اند و به پارامترهای دیگری بستگی دارند. فرمول طراحی ترانسفورماتور برای محاسبه پیچ های اولیه و ثانویه به این صورت می باشد :

• N_p پیچ های اصلی
• N_s  پیچ های ثانویه
• Vmin مینیمم ولتاژ ورودی
• Vds تخلیه ولتاژ منبع تغذیه ماسفت
• Vo ولتاژ خروجی
• Vd دیودهای خروجی افت ولتاژ رو به جلو
• و Dmax حداکثر چرخه کار است.

بنابراین، پیچ های اولیه و ثانویه بهم پیوسته اند و دارای یک نسبت چرخش هستند. از محاسبه فوق می توان نسبت را تنظیم کرد و بدین ترتیب با انتخاب چرخش های ثانویه می توان به پیچ های اولیه پی برد. روش خوب، استفاده از 1 دور در هر ولتاژ خروجی سیم پیچ ثانویه است.

مرحله 3: مرحله بعدی کشف القا اولیه ترانسفورماتور ها است. این را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد ،

• P قدرت خروجی
• z  ضریب تخصیص ضرر
• n  بازده
• f_s  فرکانس سوئیچینگ
• I_p  جریان اوج اولیه
• K_RP  نسبت جریان موج دار به اوج

مرحله 4: مرحله بعدی کشف القا موثر برای هسته شکافدار مورد نظر است.

تصویر بالا نشان می دهد که هسته شکافدار چیست. شکاف، تکنیکی برای کاهش مقدار القا اولیه هسته ها به مقدار دلخواه است. تولید کنندگان هسته، یک هسته شکافدار را برای رتبه بندی مطلوب ALG ارائه می دهند. اگر این مقدار در دسترس نباشد می توان فاصله بین هسته ها را اضافه کرد یا آن را خرد کرد تا مقدار مورد نظر را بدست آورد.

مرحله 5: مرحله بعدی، کشف قطر سیم های اولیه و ثانویه است. قطر سیم های اولیه بر حسب میلی متر است.

BWE قطر قرقره موثر است و Np تعداد پیچ ​​های اولیه است.

قطر سیم های ثانویه بر حسب میلی متر برابر است با :

BWE  قطر قرقره موثر است، NS تعداد چرخش های ثانویه است و M حاشیه هر دو طرف است. سیم ها باید در استاندارد AWG یا SWG تبدیل شوند.

برای رسانا ثانویه، به دلیل افزایش اثر پوستی، بزرگتر از 26 AWG مجاز نیست. در چنین شرایطی می توان سیم های موازی ساخت. در سیم پیچ سیم موازی، این بدان معناست که وقتی برای سمت ثانویه بیش از دو سیم نیاز باشد، قطر هر سیم می تواند مقدار واقعی یک سیم را برای سیم پیچ راحت تر از طریق سمت ثانویه ترانسفورماتور نشان دهد. به همین دلیل است که برخی ترانسفورماتور ها را می بینید که دارای سیم دوگانه در یک سیم پیچ هستند.

همچنین مقاله ترانسفورماتور صوتی را بخوانید.

این ها همه در مورد طراحی ترانسفورماتور SMPS است. با توجه به پیچیدگی مهم مربوط به طراحی، نرم افزار طراحی SMPS مانند PI Expert برای ادغام نیرو یا Viper از ST ابزارهایی را برای تغییر و پیکربندی ترانسفورماتور SMPS مورد نیاز ارائه می دهد. برای مواجهه عملی بیشتر، می توانید این آموزش طراحی 5V 2A SMPS را بررسی کنید که در آن ما از PI Expert برای ساخت ترانسفورماتور خود، با استفاده از نکاتی که تاکنون بحث شده، استفاده کردیم.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید