طراحی ترانس منابع تغذیه سوئیچینگ (ترانسفورمر مد Forward)

در قسمت اول  آموزش طراحی ترانس منابع تغذیه سوئیچینگ به آموزش طراحی ترانسفورمر مد Forward می پردازیم. وجود فرمول ها در متن شما را نترساند. متن خیلی ساده ، روان و به زبان ساده نوشته شده و کافیه با دقت متن را بخوانید و شروع به طراحی ترانس منابع تغذیه سوئیچینگ کنید.

ترانسفورمر مد Forward یا ترانسفورمر در رگولاتورهای مد Forward چندین وظیفه مهم دارد که باعث می‌شود انعطاف‌پذیری و همچنین  به صرفه بودن این رگولاتورها نسبت به همتایان بدون ایزوله خود و رگولاتورهای خطی بیشتر شود. برای مثال، ترانس یا ترانسفورمر، باعث ایجاد ایزولاسیون DC بین شبکه ورودی و بار خروجی می‌شود، و همچنین با اضافه کردن چندین دور سیم به ترانسفورمر، طراح می‌تواند خروجی‌های متعددی با هزینه‌های خیلی کم به وجود آورد. ترانسفورمر Forward ، قابلیت اطمینان کل سیستم را مشخص می‌کند، در نتیجه طراحی آن باید به بهترین وجه صورت گیرد. برای اطلاعات بیشتر در مورد توپولوژی Forward مطلب توپولوژی‌های منابع تغذیه سوئیچینگ با ایزولاسیون ترانسفورمری را بخوانید.

ترانسفورمر مد فوروارد دو یا چندین سیم‌پیچ روی هسته دارد. به سیم‌پیچی که به شبکه ورودی متصل است، سیم‌پیچ اولیه و به بقیه سیم‌پیچ‌ها سیم‌پیچ ثانویه می‌گویند. در ترانسفورمر مد فوروارد، جریان در هر دو سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به طور همزمان جاری می‌شود. وقتی یک ولتاژی به دو سر سیم‌پیچ اولیه اعمال می‌شود، شار هسته به صورت زیر شروع به تغییر می‌کند.

به طور همزمان، ولتاژی در دو سر سیم‌پیچ ثانویه در پاسخ به این تغییرات شار در هسته به وجود می‌آید. در نتیجه این ولتاژ باعث جاری شدن جریان در سیم‌پیچ ثانویه و بار متصل به آن می‌شود. این جریان جاری شده از سیم‌پیچ ثانویه نیز باعث تولید شار در داخل هسته می‌شود که جهت این شار مخالف جهت شار تولیدی سیم‌پیچ اولیه می‌باشد. در نتیجه این دو شار اثر همدیگر را در داخل هسته خنثی می‌کنند. هر تغییری در شار مطلق هسته، صرف کار مورد نیاز برای مغناطیس کردن هسته در مشخصه B-H و شارهای نشتی از سیم‌پیچ‌های هسته،  می‌شود.

رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی

در این جا چندین ویژگی مهم قابل بیان می‌باشد. اول اینکه، از آنجایی که این دو سیم‌پیچ توسط یک شار باهم لینک می‌شوند، در نتیجه رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد.

ترانسفورمر به صورت عنصر کاهنده یا افزاینده ولتاژ

در نتیجه ترانسفورمر می‌تواند به صورت عنصر کاهنده یا افزاینده ولتاژ ، بستگی به نیاز طراح، مورد استفاده قرار گیرد. اگر ترانسفورمر بیش از یک سیم‌پیچ خروجی داشته باشد، در این صورت رابطه بین ولتاژ ورودی و ولتاژ سیم‌پیچ‌های خروجی نیز از رابطه (8) بدست می‌آید.

رابطه بین اندوکتانس اولیه و ثانویه

رابطه بین اندوکتانس اولیه و ثانویه نیز به صورت زیر می‌باشد.

محاسبه امپدانس ورودی ترانسفورمر

برای محاسبه امپدانس ورودی ترانسفورمر، رابطه

را در رابطه (8) جایگذاری می‌کنیم، داریم:

چیزی که این رابطه نشان می‌دهد این است که امپدانس ورودی ترانسفورمر دیگر شبیه امپدانس یک سلف ساده نیست، بلکه تحت تاثیر بار خروجی در سیم‌پیچ ثانویه نیز می‌باشد. در نتیجه شکل موج جریان سیم‌پیچ اولیه در واقع همان شکل موج فیلتر خروجی می‌باشد که به سیم‌پیچ اولیه منعکس شده است.

مراحل طراحی ترانس منابع تغذیه سوئیچینگ (ترانسفورمر)

اولین مرحله در طراحی طراحی ترانس منابع تغذیه سوئیچینگ ، انتخاب هسته مناسب برای منبع تغذیه سوئیچینگ می‌باشد.

جنس هسته

ملاحضات اولیه در این مرحله این است که هسته‌ از جنسی باید انتخاب شود که کمترین تلفات را در فرکانس کاری منبع تغذیه سوئیچینگ  داشته باشد. معمولا اکثر طراحان از آلیاژ فریت برای این کار استفاده می‌کنند. تولیدکنندگان هسته معمولا کاتالوگ‌هایی را در اختیار طراحان قرار می‌دهند که در آنها مشخصات انواع هسته‌های مختلف آورده شده است. بنابراین بهترین روش انتخاب مواد هسته، استفاده از این کاتالوگ‌ها می‌باشد. بعد از این که جنس هسته انتخاب شد، چگالی شار اشباع هسته نیز مشخص می‌شود و از روی آن ماکزیمم چگالی شار مناسب نیز به‌دست می‌آید.

شکل هندسی هسته

سپس طراح شکل هندسی  هسته مناسب را به نحوی که نیاز‌های منبع تغیه را برآورده کند، انتخاب می‌کند. هسته‌های Pot به خاطر احاطه کردن سیم‌پیچ‌ها توسط خود هسته، شیلدینگ مغناطیسی خوبی دارند. اما این باعث بالا رفتن دمای سیم‌پیچ‌ها در داخل هسته  نیز می‌شود. با تغییر شکل هندسی این هسته‌ها می‌توان مسیرهایی برای جریان هوا به وجد آورد، درنتیجه در این صورت دمای سیم‌پیچ‌ها کاهش پیدا می‌کند. اگر هزینه مد نظر باشد می‌توان از هسته‌های E-I یا E-C نیز استفاده کرد.

اندازه هسته

بعد از مشخص نمودن هندسه هسته، طراح اندازه هسته بهینه را مشخص می‌کند. در اینجا الزامات ایمنی بازار و همچنین نوع منبع تغذیه‌ای که باید به بازار عرضه شود، در ساخت و سیم‌پیچی ترانسفورمر تاثیر دارند. بنابراین این الزامات باعث افزایش اندازه ترانس (قرار دادن نوارهای عایق در بین سیم‌پیچ‌ها)  می‌شود. بنابراین طراح باید حجم این نوارهای عایق را نیز در نظر بگیرد.

محاسبه جریان متوسط سیم‌پیچ‌ها

اولین گام، محاسبه جریان متوسط سیم‌پیچ‌ها می‌باشد. مقادیر نوعی معمولا بین 400 الی 1000 میلز دایره‌ای در آمپر (Circular mils Per Ampere) می‌باشد. این همچنین میزان گرمای تولید شده در سیم‌پیچ‌ها را نیز مشخص می‌کند. جریان متوسط سیم‌پیچ اولیه در بدترین شرایط از رابطه زیر بدست می‌آید.

سطح مقطع سیم سیم‌پیچ اولیه ترانسفورمر

سطح مقطع سیم مورد استفاده در سیم‌پیچ اولیه ترانسفورمر از طریق رابطه (11) و با مراجعه به جدول اطلاعات سیم‌ها در جدول 1 بدست می‌آید.

جدول 1 اطلاعات سیم‌ها

مرحله آخر در انتخاب هسته مناسب برای منبع تغذیه سوئیچینگ

سپس طراح از یک رابطه‌ای که توسط سازندگان هسته به صورت زیر معرفی شده است، استفاده می‌کند.

این رابطه عددی را بدست می‌دهد که برای ترانس‌های دو سیم‌پیچه معتبر می‌باشد. اگر چندین سیم پیچ ثانویه داشته باشیم، باید به مقدار بدست آمده 30 الی 40 درصد آن را نیز اضافه کنیم. و اگر تاییدیه سازمان (UL (Underwriters Laboratory یا (VDE (German Institute of Electrical Engineers برای منبع تغذیه نیاز باشد، باید 20 درصد دیگر نیز به نتیجه اضافه کنیم. بعد از این فرآیند، باید هسته‌ای انتخاب شود که Wa Ac آن ازWa Ac  بدست آمده بزرگتر یا مساوی آن باشد.

محاسبه تعداد دور سیم‌پیچ‌های ترانسفورمر

بعد از انتخاب هسته، نوبت به محاسبه تعداد دور سیم‌پیچ‌های ترانسفورمر می‌رسد. تعداد دور سیم‌پیچ‌های اولیه از رابطه زیر بدست می‌آید.

این تعداد دور در حال حاضر به عنوان پایه‌ای برای تمامی سیم‌پیچ‌های دیگر ترانسفورمر می‌باشد.

برای مشخص کردن تعداد دور سیم پیچ ثانویه برای بیشترین توان ثانویه، چندین مورد باید در نظر گرفته شود. از افت ولتاژ مستقیم دیود نمی‌توان صرفنظر کرد، همچنین بیشترین عرض پالس حلقه کنترلی نیز باید در نظر گرفته شود. با در نظر گرفتن این موارد داریم:

که در آن  Vsatولتاژ اشباع سوئیچ‌های قدرت، Vf افت ولتاژ مستقیم دیود و Dmax نیز ماکزیمم دیوتی سایکل (Duty cycle) منبع می‌باشد. این رابطه تقریب خوبی برای بدست آوردن تعداد دور سیم پیچ ثانویه برای حداقل ولتاژ مورد نیاز ثانویه، جهت رسیدن به خروجی مطلوب مورد نظر می‌باشد. تعداد دور بقیه سیم پیچ‌های ثانویه نیز از رابطه زیر بدست می‌آید.

آرایش‌های مختلف سیم‌پیچی ثانویه ترانسفورمر

بعد از تعیین تعداد دور سیم‌پیچ‌های هر خروجی برای تولید ولتاژهای مطلوب خروجی، طراح باید آرایش فیزیکی سیم پیچ‌های ثانویه را برای برآورده کردن نیازهای مشخص، در نظر بگیرد. چندین آرایش‌کلی مختلف برای سیم‌پیچ‌های خروجی در شکل 6-6 نشان داده شده است.

شکل 6 آرایش‌های مختلف سیم‌پیچی ثانویه ترانسفورمر

هر یک از این آرایش‌ها تاثیر جزئی در بازده منبع تغذیه، مقدار سیم مصرف شده در ترانسفورمر و همچنین در هزینه نهایی ترانسفورمر خواهد داشت. شکل 6-6 (A) رایج‌ترین نوع سیم‌پیچی خروجی را نشان می‌دهد. در این آرایش در هر سیکل هدایت فقط یکی از دیودها روشن می‌باشد، بنابراین در هر سیکل فقط تلفات یک دیود در منبع وجود دارد. همچنین خود سیم‌پیچ‌ها در حالت نیم موج عمل می‌کنند، بنابراین هر سیم پیچ فقط نصف جریان متوسط بار را حمل می‌کند، در نتیجه اندازه سیم‌ها در این حالت می‌تواند کوچکتر باشد. اما هر یک از این سیم‌پیچ‌ها دارای تعداد دور سیم کامل، جهت داشتن ولتاژ خروجی مورد نظر می‌باشند.

آرایش بدون سیم سر وسط خروجی در شکل 6-6(B) نشان داده شده است. در این آرایش تعداد دور سیم‌ها نصف تعداد دور سیم‌های آرایش سر وسط می‌باشد. ولی در این حالت در هر سیکل، در دو دیود تلفات توان وجود دارد. و همچنین اندازه سیم‌ها در این حالت بزرگتر است. بنابراین از نقطه نظر بازده، بازده این آرایش به خاطر تلفات دو دیود کمتر از آرایش سروسط می‌باشد. و همچنین به تعداد قطعات زیادی (چهار دیود) نیز نسبت به آرایش سروسط دارد، ولی ترانسفورمر این آرایش اندکی ارزان‌تر از آرایش سروسط می‌باشد.

آخرین آرایش کاملا خروجی‌ها را از هم ایزوله می‌کند( شکل 6-6(C) ). این آرایش هم می‌تواند سیم‌پیچی سروسط داشته باشد و هم از سیم‌پیچی تمام موج بهره ببرد، ولی در عوض به مساحت پنجره زیادی نیز در هسته نیاز دارد. این آرایش در جاهایی کاربرد دارد که نیاز به زمین‌های جدا برای کاهش اثر نویز بین مدارات مختلف داشته باشیم. واضح است که انتخاب هر یک از این آرایش‌ها در سایز ترانسفورمر و همچنین در بازده کلی منبع تغذیه تاثیر دارد.

مرحله نهایی در طراحی ترانس منبع تغذیه سوئیچینگ

در مرحله آخر یا به اصطلاح در کاغذ بندی ترانسفورمر، بهتر است دوباره پنجره اشغال شده توسط سیم‌ها را  چک کنیم تا مطمئن شویم که هسته انتخاب شده به اندازه کافی برای کاربرد ما بزرگ می‌باشد. برای انجام این کار، ابتدا قطر و اندازه سیم‌های ثانویه را مشخص می‌کنیم. اگر خروجی‌های مختلف ترانسفورمر در سیم‌پیچیشان باهم مشترک باشند، مثلا سیم‌پیچی خروجی 12+ ولت با خروجی 5+ ولت باهم مشترک باشند، در این صورت برای معین کردن جریان خروجی 5+ ولت باید جریان هردوی 12+ ولت و 5+ ولت باهم جمع شوند. در نهایت برای مشخص کردن مساحت اشغال شده توسط سیم‌ها، یک راه ساده این است که ابتدا مساحت اشغال شده توسط یک دور سیم را بدست آوریم و سپس آن را در تعداد دور آن سیم‌پیچ ضرب کنیم و همین کار را برای تمامی سیم‌پیچ‌ها انجام می‌دهیم و سپس نتایج را باهم جمع می‌کنیم.

اگر مساحت محاسبه شده بزرگتر از 85 درصد مساحت پنجره هسته باشد که عایق بندی آن در نظر گرفته نشده است، یا بزرگتر از 75 درصد مساحت پنجره‌ای باشد که قرار است الزامات ایمنی در ترانسفورمر رعایت شود، در این صورت هسته انتخاب شده، برای سیم‌پیچی ما کوچک خواهد بود. در این صورت طراح باید هسته بزرگتر انتخاب کند و دوباره محاسبات را در مورد این هسته تکرار کند. بعد از تکمیل سیم‌پیچی ترانس، محاسبات اضافه‌تری برای تخمین تلفات هسته و سیم‌پیچ‌ها ممکن است انجام بگیرد.

طراحی فیزیکی ترانسفورمر به همراه ملاحضات ایمنی

اما الان مهم‌تر از همه سیم‌پیچی فیزیکی ترانسفورمر می‌باشد که باید در نظر گرفته شود. در این مرحله دو فاکتور عملکرد الکتریکی ترانسفورمر و ملاحضات ایمنی برای طراح مهم می‌باشد. که معمولا این دو فاکتور باهم در تضادند. اولین عامل بهتر شدن عملکرد الکتریکی ترانسفورمر، کوپل مغناطیسی بهتر و محکمتر سیم‌ها به هسته می‌باشد که باعث کاهش شارها و اندوکتانس‌های نشتی می‌شود، دومین عامل، کوپل مغناطیسی محکمتر سیم‌پیچ‌ها به یکدیگر می‌باشد و سومین عامل، اختلاف ولتاژ پایینتر بین سیم‌های مجاور می‌باشد که باعث کاهش اثرات خازنی ترانسفورمر می‌شود. برای رسیدن به این عوامل سیم‌ها باید خیلی نزدیک به هم و همچنین به هسته باشند. از طرف دیگر برای رعایت کردن الزامات ایمنی نیاز است که سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه توسط یک عایقی از هم دیگر جدا شوند. این عمل به شدت اثرات نشتی و کوپلینگ را در ترانسفورمر کاهش می‌دهد. بنابراین در طراحی فیزیکی ترانسفورمر همیشه یک بده بستانی بین الزامات ایمنی و عملکرد الکتریکی ترانسفورمر وجود دارد.

برخی از اقداماتی که باید در طراحی فیزیکی ترانسفورمر در نظر گرفته شوند، عبارت‌اند از:

1.  از سیم‌های در هم تنیده شده برای سیم‌پیچی استفاده کنید. این به این معنی است که قبل از سیم پیچی ترانسفورمر ابتدا دو سیم با یکدیگر پیچ داده و سپس از این سیم در هم تنیده شده برای سیم‌پیچی استفاده کنید. معمولا برای سیم‌پیچی ثانویه از این روش استفاده می‌شود.
2.  سیم‌پیچ‌های خروجی را بین سیم‌پیچ اولیه قرار دهید ( سیم‌پیچ اولیه، سیم‌پیچ‌های خروجی را احاطه کند). این عمل باعث افزایش کوپلینگ بین سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه می‌شود.

در شکل 7 نحوه سیم‌پیچی یک ترانسفورمر که در آن مقررات VDE رعایت شده است، نشان داده شده است.  همانطور که از شکل هم دیده می‌شود رعایت همه این عوامل باعث بزرگتر شدن اندازه ترانسفورمر می‌شود.

شکل 7 طراحی فیزیکی ترانسفورمر به همراه ملاحضات ایمنی

 

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>