Was macht den Transformator in einem SMPS kleiner?

Ich lese nach, wie SMPS funktioniert, und in allen Videos heißt es, dass nach der Hochspannungs-Zerhackungsstufe aufgrund dieser hohen Frequenz jetzt ein kleinerer Transformator verwendet werden kann. Meine Frage ist, wie führt eine höhere Schaltfrequenz zu einem kleineren Transformator?

Mit anderen Worten, was erfordert das Schalten von 50-60 Hz Wechselstrom einen größeren Transformator?

Stellen Sie sich vor, der 50/60-Hz-Transformator ist eine an Wechselstrom angeschlossene Induktivität. Ignorieren Sie die Sekundärspulen und konzentrieren Sie sich auf die Primärwicklung. Die Primärwicklung ist über den Wechselstrom angeschlossen und kann als einfache Induktivität angesehen werden. Wie viel Strom nimmt dieser Induktor (sagen wir) einer 220-V-Wechselstromversorgung?

Der gesunde Menschenverstand sagt, wir wollen nicht, dass es viel dauert, weil der Strom verschwendet wird und nichts anderes tut, als den Kern zu magnetisieren. In einem durchschnittlich großen (Generalismus-Alarm!) Wechselstromtransformator kann es also zu einer Induktivität von (z. B.) 10 Henry kommen. Dies hat eine Impedanz bei 50 Hz von: -

$X_L = 2\pi\cdot f\cdot L$ = 3142 Ohm.

Dies wird einen Strom von 220 V / 3142 Ohm = 70 mA aufnehmen und das ist in meinem Buch in Ordnung. Wenn die unbelastete Sekundärwicklung hinzugefügt wird, dauert es immer noch 70 mA und wenn sie geladen ist, nimmt sie den Laststrom "bezogen auf die Primärwicklung" + 70 mA auf.

Ein Schalttransformator, der mit (sagen wir) 100 kHz arbeitet, muss nicht annähernd dieselbe Induktivität haben - dies liegt daran, dass er mit 100 kHz (oder 1 MHz oder einer beliebigen willkürlich hohen Frequenz) arbeitet. Es könnte eine Induktivität haben, die proportional niedriger ist als das Verhältnis der Frequenzen, dh 50 geteilt durch 100.000 - dies bedeutet, dass es eine Induktivität von 5 Milli-Henry haben kann und trotzdem eine Leistung erbringt (aber mit der höheren Geschwindigkeit).

Fragen Sie sich, welcher Transformator ist größer - einer mit einer Primärinduktivität von 10 Henry oder einer mit einer Primärinduktivität von 5 mH?

EDIT - Abschnitt über Rücklauftransformatoren

Es ist eine bessere Nachricht für Flyback-Switch-Modus-Designs (wie sie in den meisten AC / DC-Wandlern mit niedriger bis mittlerer Leistung verwendet werden) - die Primärinduktivität wird zu einem "Merkmal" des Designs - sie wird zum Speichern von Energie während einer Hälfte der PWM verwendet Zyklus und dann wird diese Energie während des 2. Halbzyklus in die Sekundärseite freigesetzt. Wenn die Primärinduktivität (sagen wir) 1000 uH beträgt und in 5 us "geladen" und in den nächsten 5 us "freigesetzt" wird, kann die Energie pro Übertragung berechnet werden, indem zuerst der Spitzenstrom geschätzt wird:

$\dfrac{220V\cdot\sqrt2\times 5\times 10^{-6}}{1000\times 10^{-6}}$ = 1,556 A.

• Die obige Formel lautet nur V = erneut gehasht$L\dfrac{di}{dt}$
• 220 V x sqrt (2) ist die gleichgerichtete und geglättete Gleichspannung, die vom Wechselstrom erhalten wird

Dann wandelt sich dieser Strom in Energie um = = 2,42 mJ$\dfrac{L\cdot I^2}{2}$

Dies kann durch Multiplikation mit 100.000 (der Schaltfrequenz), dh 242 Watt, in Leistung umgewandelt werden. Durch die Verwendung einer Flyback-Topologie können Sie die Primärinduktivität nutzen und über das hinaus senken, was Sie mit einem linearen Netzteil vernünftigerweise tun könnten. Hoffe das macht Sinn.

Stellen Sie sich vor, der Transformator ist ein Eimer, um das Größenproblem intuitiv zu verstehen. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen bei der angegebenen Frequenz Wasser aus einem Brunnen und stellen es in einen Pool.

Angenommen, Sie müssen 60 Liter pro Minute liefern. Wenn Sie alle 10 Sekunden 1 Eimer Wasser erhalten, benötigen Sie einen 10-Liter-Eimer. Wenn Sie jedoch alle 2 Sekunden 1 Eimer Wasser nehmen, benötigen Sie nur einen 2-Liter-Eimer.

Durch Erhöhen der Geschwindigkeit verringern Sie den Größenbedarf, und da es heutzutage ziemlich einfach ist, sehr schnelle Elektronik herzustellen, ist die Größe von Transformatoren dramatisch gesunken.

Beachten Sie, dass SMPS auf diese Weise nicht tatsächlich funktioniert. Der von "Andy aka" beschriebene Flyback ist dem am nächsten, aber dies sollte Ihnen ein Verständnis für die Auswirkungen der Frequenz geben.

Nimm die erste Antwort. Der Widerstand ist das Produkt aus 2, pi, Frequenz und Induktivität. Um das gleiche Ergebnis zu erzielen, können Sie die Induktivität (Größe) verringern, wenn Sie die Frequenz erhöhen.

Eine einfache Gleichungsanalyse würde wie folgt ergeben:

XL = 2 * pi f L.

Dies impliziert, dass Induktivität und Frequenz ein umgekehrtes Verhältnis haben .

Mit anderen Worten kann für höhere Frequenzen die Induktivität bei gleichem Impedanzwert reduziert werden.

Zum Beispiel möchte ich, dass mein Transformator den minimalen Strom verbraucht, dann würde ich die höchstmögliche Impedanz auswählen.

Nehmen wir das gleiche Beispiel wie Andy aka .

Der vom Primärtransformator verbrauchte Strom sollte weniger als 70 mA betragen

Angenommen, die Spannung beträgt 220 V bei einer Frequenz von 50 Hz (nur ein Beispiel).

Nun ergibt V = 220 V und I = 70 mA R ~ 3142E.

In unserem Fall ist R = XL = 3142E.

Wenn f = 50 Hz ist, ist L ~ 10H

Wenn f = 500 Hz ist, ist L ~ 1H

.

.

.

Wenn f = 100 kHz, ist L ~ 5 mH

Sehen wir uns die verschiedenen Parameter an, die die Größe des Induktors beeinflussen .

1. Anzahl der Windungen (Mehr Windungen, mehr Induktivität)

2. Spulenfläche (Vergrößern Sie die Fläche für mehr Induktivität)

3. Spulenlänge (Induktivität nimmt mit zunehmender Länge zu)

4. Spulenmaterial (Je höher die magnetische Permeabilität des Induktors, desto höher die Induktivität)

Die obigen Parameter legen nahe, dass bei demselben verwendeten Material die Größe des Induktors zunimmt, um die Induktivität zu erhöhen.

Aus all der obigen Analyse kann daher gesagt werden, dass

Um die Transformatorgröße zu reduzieren, müssen wir die Frequenz erhöhen.

Hinweis : Moderation erforderlich. Dies ist meine Analyse und sollte daher nur in Betracht gezogen werden, wenn genügend Experten mein Wort unterstützen.

Sie können sich vorstellen, dass der Transformatorkern durch die Eingangsspannung vollständig magnetisiert ist. Dies entspricht einer bestimmten Energiemenge. Als nächstes wird diese Energie dem Ausgang zugeführt. Dieser Zyklus wird immer wieder wiederholt.

Jeder Zyklus wandelt eine maximale Energiemenge um, die durch die Menge an Magnetismus begrenzt ist, die der Kern "halten" kann. Daher überträgt eine höhere Frequenz mehr Leistung.

Wenn Sie den Transformator mit einer niedrigeren Frequenz versorgen, ist die EMK in einer Umdrehung an der Primärfrequenz niedriger als die höhere Frequenz. Wenn der Transformator mit einer niedrigeren Frequenz versorgt wird, erhöht sich der Eingangsstrom, so dass sich der Querschnitt der Primärwicklung im gleichen Vergleich erhöht Dies erfolgt für die Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite, was dazu führt, dass die Anzahl der Windungen für den Transformator mit niedrigerer Frequenz zunimmt