Diseñar un circuito de fuente de alimentación eficiente no es un desafío menor. Aquellos que ya han trabajado con circuitos SMPS fácilmente estarían de acuerdo en que el diseño del transformador flyback juega un papel vital en el diseño de un circuito de suministro de energía eficiente. La mayoría de las veces, estos transformadores no están disponibles de fábrica en el mismo parámetro exacto que se adapta a nuestro diseño. Entonces, en este tutorial de diseño de transformadoresAprenderemos a construir nuestro propio transformador según lo requiera el diseño de nuestro circuito. Tenga en cuenta que este tutorial cubre solo la teoría usando la cual más adelante en otro tutorial construiremos un circuito SMPS de 5V 2A con un transformador hecho a mano como se muestra en la imagen de arriba para una exposición práctica. Si es completamente nuevo en Transformadores, lea el artículo Conceptos básicos de Transformadores para comprender mejor los procedimientos.
Partes en un transformador SMPS
Un diseño de transformador SMPS tiene diferentes partes de transformador que son directamente responsables del rendimiento del transformador. Las partes presentes en un transformador se explican a continuación, aprenderemos la importancia de cada parte y cómo debe seleccionarse para el diseño de su transformador. Estas partes también son válidas en la mayoría de los casos para otros tipos de transformadores.
Núcleo
SMPS significa unidad de fuente de alimentación conmutada. Las propiedades de un transformador SMPS dependen en gran medida de la frecuencia en la que operan. La alta frecuencia de conmutación abre la posibilidad de elegir transformadores SMPS más pequeños. Estos transformadores SMPS de alta frecuencia utilizan núcleos de ferrita.
El diseño del núcleo del transformador es lo más importante en la construcción de un transformador SMPS. Un núcleo tiene un tipo diferente de A L (coeficiente de inductancia de núcleo sin huecos) según el material del núcleo, el tamaño del núcleo y el tipo de núcleo. Los tipos populares de material de núcleo son N67, N87, N27, N26, PC47, PC95, etc. Además, el fabricante de núcleos de ferrita proporciona parámetros detallados en la hoja de datos, que serán útiles al seleccionar el núcleo para su transformador.
Por ejemplo, aquí hay una hoja de datos del popular núcleo EE25.
La imagen de arriba es una hoja de datos del núcleo EE25 de material PC47 de un fabricante de núcleos ampliamente popular TDK. Se necesitará toda la información necesaria para la construcción del transformador. Sin embargo, los núcleos tienen una relación directa con la potencia de salida, por lo que para diferentes potencias de SMPS se requieren diferentes formas y tamaños de núcleos.
Aquí está la lista de núcleos en función de la potencia. La lista se basa en una construcción de 0-100W. La fuente de la lista se toma de la documentación de Power Integration. Esta tabla será útil para seleccionar el núcleo correcto para el diseño de su transformador en función de su potencia nominal.
| Potencia máxima de salida | Núcleos de ferrita para construcción TIW | Núcleos de ferrita para la construcción de heridas de margen |
| 0-10 W |
EPC17, EFD15, EE16, EI16, EF15, E187, EE19, EI19 |
EEL16, EF20, EEL19, EPC25, EFD25 |
| 10-20W |
EE19, EI19, EPC19, EF20, EFD20, EE22, EI22 |
EEL19, EPC25, EFD25, EF25 |
| 20-30W | EPC25, EFD25, E24 / 25, EI25, EF25, EI28 |
EPC30, EFD30, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
| 30-50W |
EI28, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
EI30, ETD29, EER28,
EER28L, EER35 |
| 50-70W |
EER28L, ETD34, EI35, EER35 |
EER28L, ETD34, EER35, ETD39 |
| 70-100W |
EPC30, EFD30, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
EER35, ETD39, EER40, E21 |
Aquí el término TIW significa construcción de alambre con triple aislamiento. Los núcleos E son los más populares y se utilizan ampliamente en transformadores SMPS. Sin embargo, los núcleos E tienen varios casos, como EE, EI, EFD, ER, etc. Todos se parecen a la letra 'E', pero la parte central es diferente para cada sustancia. Los tipos comunes de núcleos E se ilustran a continuación con ayuda de imágenes.
EE Core
EI Core
ER Core
EFD Core
Bobina
Una bobina es el alojamiento de núcleos y bobinados. Una bobina tiene un ancho efectivo que es esencial para calcular los diámetros de los cables y la construcción del transformador. No solo esto, una bobina de un transformador también tiene una marca de puntos que proporciona la información de los devanados primarios. La bobina del transformador EE16 de uso común se muestra a continuación
Devanado primario
El devanado del transformador SMPS tendrá un devanado primario y un mínimo de un devanado secundario, según el diseño podría tener más devanado secundario o un devanado auxiliar. El devanado primario es el primer y más interno devanado de un transformador. Está conectado directamente al lado primario de un SMPS. Por lo general, el número de devanados en el lado primario es mayor que el de otros devanados del transformador. Encontrar el devanado primario en un transformador es fácil; uno solo necesita verificar el lado del punto del transformador para el devanado primario. Generalmente se encuentra en el lado de alto voltaje del mosfet.
En un esquema SMPS, puede notar la CC de alto voltaje del condensador de alto voltaje conectado con el lado primario del transformador y el otro extremo está conectado con el controlador de potencia (pin de drenaje interno del mosfet) o con un pin de drenaje del MOSFET de alto voltaje separado.
Bobinado secundario
El devanado secundario convierte el voltaje y la corriente en el lado primario al valor requerido. Descubrir la salida secundaria es un poco complejo, ya que en algunos diseños de SMPS el transformador suele tener varias salidas secundarias. Sin embargo, la salida o el lado de bajo voltaje de un circuito SMPS generalmente está conectado al devanado secundario. Un lado del devanado secundario es CC, GND y el otro lado está conectado a través del diodo de salida.
Como se discutió, un transformador SMPS puede tener múltiples salidas. Por lo tanto, un transformador SMPS también puede tener múltiples devanados secundarios.
Bobinados auxiliares
Hay diferentes tipos de diseño SMPS en los que el circuito del controlador necesita una fuente de voltaje adicional para alimentar el IC del controlador. El devanado auxiliar se utiliza para proporcionar este voltaje adicional al circuito del controlador. Por ejemplo, si su controlador IC está funcionando a 12 V, entonces el transformador SMPS tendrá un devanado de salida auxiliar que se puede utilizar para alimentar este IC.
Cinta aislante
Los transformadores no tienen una conexión eléctrica entre diferentes devanados. Por lo tanto, antes de envolver diferentes devanados, es necesario enrollar cintas de aislamiento alrededor de los devanados para separarlos. Las cintas de barrera de poliéster típicas se utilizan con diferentes anchos para diferentes tipos de bobinas. Se requiere que los espesores de las cintas sean de 1 a 2 mil para proporcionar aislamiento.
Pasos para el diseño del transformador:
Ahora que conocemos los elementos básicos de un transformador, podemos seguir los pasos a continuación para diseñar nuestro propio transformador.
Paso 1 : encuentre el núcleo adecuado para la salida deseada. Elija los núcleos correctos enumerados en la sección anterior.
Paso 2 : averiguar los giros primario y secundario.
Los giros primarios y secundarios están interconectados y dependen de otros parámetros. La fórmula de diseño del transformador para calcular las vueltas primarias y secundarias son:
Donde,
N p son los giros primarios, N s son los giros secundarios, Vmin es el voltaje de entrada mínimo, Vds es el drenaje a la fuente de voltaje del Power Mosfet, Vo es el voltaje de salida
Vd es la caída de tensión directa de los diodos de salida
Y Dmax es el ciclo de trabajo máximo.
Por lo tanto, los giros primarios y secundarios están interconectados y tienen una relación de giro. A partir del cálculo anterior, se puede establecer la relación y, por lo tanto, al seleccionar los giros secundarios, se pueden averiguar los giros primarios. La buena práctica es usar 1 vuelta por voltaje de salida del devanado secundario.
Paso 3: La siguiente etapa es averiguar la inductancia primaria del transformador. Esto se puede calcular mediante la siguiente fórmula,
Dónde, P 0 es la potencia de salida, z es el factor de asignación de pérdidas, n es la eficiencia, f s es la frecuencia de conmutación, I p es la corriente primaria pico, K RP es la relación de corriente de ondulación a pico.
Paso 4: La siguiente etapa es averiguar la inductancia efectiva para el núcleo con huecos deseado.
La imagen de arriba muestra cuál es el núcleo con huecos. El espaciado es una técnica para reducir el valor de la inductancia primaria de los núcleos a un valor deseado. Los fabricantes de núcleos proporcionan un núcleo con espacios para la calificación A LG deseada. Si el valor no está disponible, se pueden agregar espaciadores entre los núcleos o molerlo para obtener el valor deseado.
Paso 5: El siguiente paso es averiguar el diámetro de los cables primarios y secundarios. El diámetro de los cables primarios en milímetros es
Donde, BW E es el ancho efectivo de la bobina y N p es el número de vueltas primarias.
El diámetro de los alambres secundarios en milímetros es-
BW E es el ancho efectivo de la bobina, N S es el número de vueltas secundarias y M es el margen en ambos lados. Los cables deben convertirse al estándar AWG o SWG.
Para el conductor secundario, no se permite un tamaño superior a 26 AWG debido al aumento del efecto de piel. En tal caso, se pueden construir cables paralelos. En el devanado de cables en paralelo, eso significa que cuando se necesitan enrollar más de dos cables para el lado secundario, el diámetro de cada cable puede representar el valor real de un solo cable para facilitar el devanado en el lado secundario del transformador. Es por eso que encuentra algunos transformadores que tienen cables duales en una sola bobina.
Se trata de diseñar el transformador SMPS. Debido a la complejidad crítica relacionada con el diseño, el software de diseño SMPS como PI Expert para la integración de energía o Viper de ST proporciona herramientas y sobresale para cambiar y configurar el transformador SMPS según sea necesario. Para obtener una exposición más práctica, puede consultar este tutorial de diseño SMPS de 5V 2A donde usamos PI Expert para construir nuestro propio transformador utilizando los puntos discutidos hasta ahora.
Espero que haya entendido el tutorial y haya disfrutado aprendiendo algo nuevo. Si tiene alguna pregunta, no dude en dejarla en la sección de comentarios o publicarla en los foros para una respuesta más rápida.