Cara Menghitung Rasio Ternyata Transformator untuk Aplikasi Power Supply

Rasio belitan transformator merupakan parameter dasar yang digunakan untuk menentukan hubungan tegangan antara belitan primer dan sekunder. Namun, untuk aplikasi catu daya, menghitung rasio putaran yang benar memerlukan lebih dari sekadar membagi tegangan masukan dengan tegangan keluaran.

Pada trafo konvensional, rasio tegangan berhubungan langsung dengan rasio belitan belitan. Dalam catu daya switching, desain akhir transformator juga bergantung pada topologi konverter, frekuensi switching, siklus kerja, bentuk gelombang, metode penyearah, inti magnet, dan rentang tegangan operasi.

Untuk insinyur dan pembeli OEM yang bekerja dengan trafo frekuensi tinggi atau trafo catu daya switching, memahami hubungan ini dapat membuat pemilihan trafo dan pengembangan khusus menjadi lebih efisien.

1. Berapakah Rasio Putaran Transformator?

Rasio lilitan transformator menggambarkan hubungan antara jumlah lilitan pada belitan primer dengan jumlah lilitan pada belitan sekunder.

Untuk transformator ideal:

Vp / Vs=Np / Ns

Di mana:

Vp=Tegangan primer

Vs=Tegangan sekunder

Np=Putaran utama

Ns=Belokan sekunder

Misalnya, jika tegangan primer adalah 400 V dan tegangan sekunder yang diperlukan adalah 40 V:

400 / 40 = 10

Oleh karena itu, rasio belokan primer-ke-sekunder adalah:

Np : Ns=10 : 1

Perhitungan ini memberikan hubungan tegangan dasar. Hal ini tidak dengan sendirinya menentukan desain belitan akhir dari transformator catu daya praktis.

2. Cara Menghitung Rasio Putaran Dasar

Perhitungan paling sederhana didasarkan pada tegangan primer dan sekunder.

Rasio Ternyata=Tegangan Primer / Tegangan Sekunder

Misalnya, pertimbangkan transformator dengan:

Tegangan primer: 240 V

Tegangan sekunder: 24 V

Rasio putaran dasar adalah:

240 / 24 = 10

Karena itu:

Np : Ns=10 : 1

Jika belitan primer mempunyai 200 lilitan, maka lilitan sekunder teoritis akan berisi:

200 / 10=20 putaran

Hal ini sesuai sebagai perhitungan trafo yang ideal.

Untuk trafo sebenarnya, pabrikan harus mengevaluasi lebih lanjut rugi-rugi, kondisi pengoperasian, fluks magnet, arus belitan, dan rangkaian catu daya spesifik.

3. Rasio Putaran Primer-terhadap-Sekunder dalam Peralihan Catu Daya

Transformator catu daya switching beroperasi secara berbeda dari transformator frekuensi listrik-konvensional.

Trafo biasanya digerakkan oleh bentuk gelombang switching yang dihasilkan oleh rangkaian switching semikonduktor. Oleh karena itu, tegangan yang diterapkan pada belitan primer bergantung pada topologi catu daya dan kondisi peralihan.

Topologi umum meliputi:

Terbang kembali

Maju

Dorong-tarik

Setengah-jembatan

Jembatan-penuh

Karena topologi ini mentransfer energi secara berbeda, hubungan antara tegangan masukan, tegangan keluaran, siklus kerja, dan rasio belitan transformator juga berbeda.

Inilah sebabnya perhitungan berikut:

Tegangan Masukan / Tegangan Keluaran

harus diperlakukan sebagai titik awal dan bukan persamaan desain akhir untuk setiap catu daya switching.

4. Mengapa Duty Cycle Mempengaruhi Rasio Ternyata

Di banyak catu daya PWM, tegangan keluaran dikontrol melalui siklus kerja switching.

Siklus kerja mewakili persentase setiap periode pensaklaran selama rangkaian pensaklaran menerapkan energi ke transformator.

Untuk hubungan konverter yang disederhanakan, tegangan keluaran dapat dihubungkan dengan tegangan masukan, siklus kerja, dan rasio putaran.

Hubungan perwakilan dapat dinyatakan sebagai:

Vout ≈ Vin × D × (Ns / Np)

Di mana:

Vout=Tegangan keluaran

Vin=Peralihan yang relevan-tegangan input tahap

D=Siklus kerja

Rasio putaran primer Ns/Np=Sekunder-terhadap-

Persamaan sebenarnya tergantung pada topologi konverter dan konfigurasi rangkaian.

Untuk itu produsen trafo perlu mengetahui topologi catu daya sebelum menentukan rasio putaran akhir.

5. Rentang Tegangan Masukan Harus Dipertimbangkan

Hanya menggunakan tegangan masukan nominal dapat menyebabkan desain transformator tidak sesuai.

Misalnya, catu daya switching dapat beroperasi dari:

300–400 V DC

daripada pada satu tegangan tetap.

Trafo harus beroperasi dengan benar pada rentang ini dengan tetap mempertahankan tegangan keluaran yang diperlukan dan menghindari fluks magnet yang berlebihan.

Saat mengembangkan trafo khusus, sediakan:

Tegangan masukan minimum

Tegangan masukan nominal

Tegangan masukan maksimum

Siklus kerja maksimum

Peralihan frekuensi

Tegangan keluaran yang diperlukan

Arus keluaran

Rasio putaran harus dievaluasi terhadap rentang operasi lengkap dan bukan hanya pada satu nilai nominal.

6. Tegangan Keluaran Tidak Selalu Sama dengan Tegangan Sekunder Trafo

Ini adalah salah satu kesalahan paling umum dalam perhitungan rasio belitan transformator.

Misalkan catu daya memerlukan keluaran 12 V DC yang diatur.

Ini tidak berarti bahwa belitan sekunder transformator harus dirancang untuk 12 V.

Antara transformator dan keluaran DC akhir, rangkaian mungkin berisi:

Dioda penyearah

Perbaikan sinkron

Induktor keluaran

Kapasitor

Sirkuit pengaturan tegangan

Konduktor PCB

Komponen-komponen ini mempengaruhi tegangan aktual yang dikirimkan ke beban.

Oleh karena itu, tegangan sekunder transformator perlu ditentukan sesuai dengan rangkaian catu daya yang lengkap.

Untuk transformator frekuensi tinggi khusus, pabrikan harus menerima persyaratan sisi-sekunder yang sebenarnya, bukan hanya tegangan keluaran DC akhir.

7. Penurunan Tegangan Mempengaruhi Rasio Putaran Praktis

Transformator yang ideal tidak mempunyai rugi-rugi listrik. Transformator sungguhan bisa melakukannya.

Penurunan tegangan dapat disebabkan oleh:

Resistansi belitan primer

Resistansi belitan sekunder

Penurunan tegangan penyearah

Induktansi kebocoran

Mengalihkan-kerugian perangkat

resistensi PCB

Kerugian konverter lainnya

Misalnya, jika keluaran akhir harus tetap pada 24 V di bawah beban, transformator mungkin perlu menyediakan tegangan sekunder yang mengkompensasi rugi-rugi tegangan di sisa rangkaian.

Jumlah kompensasi tergantung pada desain catu daya dan kondisi beban.

Oleh karena itu, rasio putaran sebenarnya harus ditentukan setelah mempertimbangkan jalur listrik secara lengkap.

8. Rasio Putaran dan Desain Inti Magnetik

Rasio belitan menentukan hubungan tegangan antar belitan, tetapi jumlah absolut belitan juga harus sesuai dengan inti magnet.

Untuk trafo frekuensi tinggi, lilitan primer dipengaruhi oleh:

Tegangan yang diterapkan

Peralihan frekuensi

Siklus kerja maksimum

Luas penampang-inti

Bahan inti

Kepadatan fluks maksimum

Beralih bentuk gelombang

Terlalu sedikit putaran primer dapat mengakibatkan fluks magnet yang berlebihan dan berpotensi mendorong inti menuju kejenuhan.

Terlalu banyak belokan dapat menambah panjang belitan, kehilangan tembaga, induktansi kebocoran, dan ukuran transformator.

Oleh karena itu, desain transformator memerlukan keduanya:

Rasio putaran yang benar

Dan

Jumlah putaran absolut yang benar.

Ini terkait, tetapi parameter desainnya tidak sama.

9. Rasio Ternyata Juga Menentukan Hubungan Saat Ini

Rasio belitan trafo berhubungan dengan arus dan tegangan.

Untuk transformator ideal:

Ip / Adalah=Ns / Np

Di mana:

Ip=Arus primer

Apakah=Arus sekunder

Np=Putaran utama

Ns=Belokan sekunder

Artinya ketika tegangan diturunkan, sisi sekunder umumnya membawa arus yang lebih tinggi untuk daya yang ditransfer sama.

Hal ini berdampak langsung pada desain belitan transformator.

Pabrikan harus memilih dimensi konduktor yang sesuai dan pengaturan belitan sesuai dengan arus sebenarnya.

Untuk belitan sekunder-berarus tinggi, desainnya mungkin memerlukan:

Konduktor yang lebih besar

Beberapa kabel paralel

Lapisan belitan yang sesuai

Pengaturan belitan khusus

Oleh karena itu, rasio putaran harus selalu dipertimbangkan bersama dengan kebutuhan daya dan arus.

10. Contoh: Menghitung Rasio Putaran untuk Catu Daya

Pertimbangkan peralihan catu daya yang disederhanakan dengan:

Masukan DC: 320V

Keluaran yang diperlukan: 24 V

Peralihan topologi: setengah-jembatan

Perkiraan siklus tugas: 50%

Perbandingan tegangan sederhana memberikan:

320 / 24 = 13.33

Namun, tidak tepat jika langsung menentukan rasio transformator 13,33:1 tanpa mempertimbangkan operasi setengah-jembatan.

Tegangan sebenarnya yang diterapkan pada primer transformator, siklus kerja, metode penyearah, rugi-rugi tegangan, dan rentang pengaturan semuanya mempengaruhi desain akhir.

Oleh karena itu, pabrikan trafo akan menggunakan spesifikasi catu daya lengkap untuk menentukan:

Inti yang sesuai

Putaran primer

Putaran sekunder

Rasio putaran

Ukuran kawat

Pengaturan berliku

Struktur isolasi

Kenaikan suhu yang diperkirakan

Inilah sebabnya mengapa pengembangan trafo khusus harus dilakukan bersamaan dengan desain konverter sebenarnya.

11. Kesalahan Umum Perhitungan Rasio Ternyata Transformator

Kesalahan 1: Menggunakan Tegangan Masukan Tegangan Keluaran sebagai Rasio Akhir

Ini berfungsi sebagai titik awal yang ideal tetapi tidak cukup untuk banyak aplikasi peralihan catu daya.

Kesalahan 2: Mengabaikan Topologi Konverter

Konverter flyback, maju, setengah-jembatan, dan-jembatan penuh memiliki hubungan transfer-tegangan dan energi yang berbeda.

Kesalahan 3: Mengabaikan Siklus Tugas

Kontrol PWM mengubah tegangan efektif dan energi yang disalurkan melalui transformator.

Kesalahan 4: Membingungkan Output DC Dengan Tegangan Sekunder

Tegangan DC akhir yang diatur mungkin berbeda dari tegangan sekunder transformator yang diperlukan karena adanya penyearah dan rugi-rugi rangkaian lainnya.

Kesalahan 5: Memilih Rasio Putaran Tanpa Memeriksa Fluks Inti

Rasio tegangan yang benar masih dapat menghasilkan kerapatan fluks yang berlebihan jika jumlah absolut lilitan primer terlalu rendah.

Kesalahan 6: Mengabaikan Arus Berliku

Konduktor belitan harus mampu menangani RMS aktual dan arus puncak yang dihasilkan oleh catu daya.

12. Informasi Apa yang Harus Anda Berikan kepada Produsen Transformator Khusus?

Saat meminta trafo khusus untuk catu daya, memberikan informasi teknis lengkap membantu pabrikan mengevaluasi desain dengan benar.

Untuk proyek OEM, parameter ini memberikan informasi yang cukup kepada produsen transformator frekuensi tinggi untuk mengevaluasi desain magnet dan belitan daripada mengandalkan spesifikasi tegangan yang tidak lengkap.

13. Kapan Anda Harus Bekerja Dengan Produsen Transformator?

Trafo standar mungkin cocok bila tegangan, daya, frekuensi, dimensi, dan persyaratan pemasangan sudah sesuai dengan desain yang ada.

Namun, untuk peralatan OEM, trafo mungkin perlu disesuaikan dengan catu daya sebenarnya.

Produsen trafo khusus dapat mengevaluasi:

Pemilihan inti magnetik

Putaran primer dan sekunder

Struktur berliku

Pemilihan kawat

Isolasi

Induktansi kebocoran

Kenaikan suhu

Dimensi mekanis

Kelayakan produksi

Hal ini sangat penting ketika transformator harus sesuai dengan PCB tertentu atau beroperasi dalam kisaran efisiensi dan suhu yang ditentukan.

Kesimpulan

Menghitung rasio belitan transformator dimulai dengan hubungan antara tegangan primer dan sekunder:

Vp / Vs=Np / Ns

Namun hubungan ideal ini hanyalah titik awal untuk transformator catu daya praktis.

Untuk aplikasi switching, desain akhir juga harus mempertimbangkan topologi konverter, siklus kerja, rentang tegangan input, penyearah, rugi-rugi tegangan, frekuensi switching, inti magnet, kerapatan fluks, arus belitan, dan kondisi termal.

Untuk transformator frekuensi tinggi, rasio lilitan yang benar dan jumlah lilitan absolut harus dikembangkan bersama-sama. Desain yang sesuai harus menyediakan transformasi tegangan yang diperlukan sekaligus menjaga fluks magnet, rugi-rugi belitan, kenaikan suhu, dan dimensi keseluruhan dalam persyaratan aplikasi.

Untuk proyek catu daya OEM dan khusus, memasok spesifikasi listrik dan mekanik lengkap ke produsen transformator adalah cara paling andal untuk menentukan desain belitan primer dan sekunder yang sesuai.

Poin Penting

Saat menghitung rasio belitan transformator, selalu pertimbangkan:

• Tegangan primer dan sekunder
• Rentang tegangan masukan
• Topologi konverter
• Siklus tugas
• Peralihan frekuensi
• Metode perbaikan
• Penurunan tegangan dan rugi-rugi rangkaian
• Inti magnetik dan kerapatan fluks
• Arus primer dan sekunder
• Persyaratan isolasi dan termal

Rasio putaran menetapkan hubungan tegangan dasar, namun desain transformator lengkap menentukan apakah komponen akan benar-benar bekerja dengan andal dalam catu daya.