Bu web sitesinde; FORUM, BLOG ve MENÜ' lerde üyelik gerektiren makalelere tam erişim için Lütfen BLOG' a üye olunuz.
SMPS Trafosu Tasarlamaya İlk Adım
Her donanım mühendisi yaptığı bir PCB kartında mutlaka bir AC-DC veya DC-DC çevirici kullanmak zorundadır. Dolayısıyla bir donanımcının, anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) tasarımını çok iyi bilmesi gerektiğini düşünüyorum. Bu yüzden bu yazımda bir anahtarlamalı güç kaynağı trafosunun nasıl tasarlanacağının ayrıntılarını vermeye çalıştım.
İndeks
-
Giriş
-
Çekirdek (Core) Seçimi
-
Çekirdek (Core) Şekli
-
Çekirdek (Core) Boyutu
-
Volt-Zaman Ürün (V-µSec) Değeri
-
Primer Sarım Sayısı
-
Sarım Tur Oranları
-
Sekonder Sarım Sayısı
-
Primer Endüktansı
-
Hava Boşluğu
-
Tel (Wire) Boyutu
-
Dolgu Faktörü (Fill Factor)
-
Çekirdek Kaybı (Core Loss)
-
Bakır Kaybı (Copper Loss)
-
Sıcaklık Artışı
-
Trafo Yapısı
-
Elektriksel ölçümler
-
Transformatör kalkanı(shielding)
-
Kontrol Listesi
-
İzolasyon
-
Vernikleme ve Vakumlama
Giriş
SMPS (Switch-Mode Power Supply) yani anahtarlamalı güç kaynağı için manyetik bileşenler tasarlamak, modern elektronik tasarımlarının artan talepleri nedeniyle zor olabilir. Aşağıdaki adımları takip etmek, mühendislerin zorlukları aşmalarına ve başarılı bir proje sağlamalarına yardımcı olacaktır.
Askeri veya ticari olsun SMPS trafosu tasarımı EMC açısından da çok önem arzetmektedir.
/Trafo tsarımı yapılırken ferit nüve ve karkas seçimini çok ayrıntılı bir şekilde anlattığım "Anahtarlamalı Güç Kaynakları(SMPS) İçin Ferit Nüve ve Karkas Seçimi (Bölüm-1)" BLOG' umda yer alan bu makaleyi mutlaka dikkatlice incelemenizi tavsiye ediyorum.\
/Trafo tsarımı yapılırken ferit nüve ve karkas seçimini çok ayrıntılı bir şekilde anlattığım "Anahtarlamalı Güç Kaynakları(SMPS) İçin Ferit Nüve ve Karkas Seçimi (Bölüm-2)" BLOG' umda yer alan bu makaleyi mutlaka dikkatlice incelemenizi tavsiye ediyorum.\
Blog üyeliği olanlar; 10'larca SMPS parametresini içeren makalelere, BLOG kısmından tam erişim sağlayabilirler.
Ayrıca forum kısmında SMPS ile ilgili üyelerin sorduğu sorular ve cevaplar kısmından birkaç detay daha bulabilirsiniz.
Yaklaşık 20 yıldır ayrık(discrete) güç kaynağı tasarımı yaparak veya bazen de zaman ve maliyet sorunundan dolayı hazır modül seçeneklerinin kullanan birisi olarak şunu söyleyebilirim;
Güç kaynağı tasarımı, bazı ukala dijital donanım tasarımcılar ve yazılımcılar için basit devreler veya 3-5 komponent gibi görülebilmektedir. Ancak; temelde çok fazla ayrıntı barındıran, çok fazla tecrübe isteyen ve tasarım kabiliyeti gerektiren bir tasarım döngüsü içerir.
Çok basit gibi görünen bir güç kaynağının tasarımı ve entegrasyonu bazen 1 seneyi bile geçebilir. Bunu yeni tasarım yapacak mühendislere ve bir güç kaynağı tasarımı yaptıran veya beklentisi içinde olan yöneticilere kabul ettirmekte fayda görüyorum.
Tabiki şunu da unutmamak gerekir; tecrübeli bir güç kaynağı tasarım mühendisi, tasarımın ve entegrasyonun ne zaman biteceğini ekstrem durumlar hariç çok iyi tahmin edecektir.
Şunu bilelim ki ; EMC/EMI dediğimiz şeyin temeli bile güç kaynağıyla ilişkilidir. Bu yüzden bir güç kaynağı tasarımcısının, aynı zamanda çok iyi bir EMC mühendislik bilgisine sahip olması gerekmektedir.
Tüm bu bilgiler ışığında; ayrık (discrete) malzemelerle tasarlanmış olan temel izole bir SMPS için, trafo tasarımı nasıl yapılır? Şimdi bu konuya odaklanalım!
Trafo tasarımı, güç kaynağının en önemli ve ilk adımıdır. Trafoyu tasarlamak güç kaynağını tasarlamak anlamına gelir ama trafonun tasarımını güç kaynağının %60' ı olarak değerlendirebiliriz.
Bu durumda kalan %40 iş gücü için aşağıdaki adımları sayabiliriz;
-
Geri besleme (feed-back) devresi
-
Uzak algılama(remote sense) devresi
-
Soft start
-
Akım transfer oranı ve opto kuplör kullanımı ve seçimi
-
Mosfet ve diyotların seçimi
-
Sönümleme(snubber) devreleri
-
Seçilen topolojinin getirdiği ek devreler
-
Yük altında çalışma yeteneği
-
Giriş filtresi tasarımı
-
Çıkış filtresi tasarımı
-
Kompanzasyon devreleri
-
ON/OFF gibi kontrol devreleri
-
Gerekiyorsa power squencer için kontrol
-
EMI/EMC ortak mod gürültü için filtreler
-
ESD korumaları
-
Surge korumaları
-
Burst korumaları
-
Inrush current korumaları
-
Giriş ve çıkış için akım algılama veya sınırlama
-
Paralel veya seri kullanım için ek devre ve komponentler
-
Redundant veya hot-plug kullanım için ek komponentler
-
Birden fazla SMPS varsa senkronizasyon ve clock kullanımı
-
Gürültü azalmak için ferrite bead kullanımı
-
Soğutma için parametrelerin belirlenmesi ve soğutucu seçimi
-
Gerekiyorsa ferit kelepçe (soft ferrite or ferrite clamp) kullanımı
-
Tümleşik olarak; kutu, kablo ve SMPS PCB board olarak EMC önlemleri
-
SMPS "ON TIME" ayarlanması
-
PCB yerleşim ve montajı
-
PCB ayak izlerinin çok düzgün yapılması
-
Giriş ve çıkış konnektörlerinin seçimi
Yukarıda belirttiğim parametreleri açıklamak bir makalede yazılabilecek bir şey değildir.
Şimdi SMPS mühendisi olarak bir trafo tasarımı yapmamız gerekmektedir. Bu durumda ilk olarak trafo ile ilgili parametrelere bir göz atalım.
SMPS manyetik bileşenlerini tasarlamak için aşağıdaki parametreler gereklidir:
-
Giriş Gerilimi Aralığı
-
Çıkış gerilimi
-
Çıkış gücü veya çıkış akımı
-
Anahtarlama frekansı
-
Çalışma modu
-
IC' nin maksimum görev döngüsü / Duty cycle
-
Güvenlik gereksinimleri
-
Ortam sıcaklığı
-
Boyut gereksinimleri
-
İzolasyon
-
Maliyet
-
EMC
Çekirdek (Core) Seçimi
Uygulamanın güç gereksinimlerine, anahtarlama topolojisine ve frekansa bağlı olarak ön temel seçiminizi yapın.
Ferit çekirdekler, yüksek frekanslı uygulamalar için en iyi seçimdir. 500 KHz'nin altındaki işlemler için çoğu tasarımcı, 2000 ila 2500 arasında geçirgenliğe/ permeability sahip bir çekirdek malzeme kullanacaktır.
Geçirgenlik, sıcaklık artışı ve çalışma akı yoğunluğuna göre önemli ölçüde değişir.
Genel olarak, endüktans (çalışma modunu kontrol eden) esas olarak hava boşluğu tarafından belirlendiğinden, çekirdek doymaya/ saturation yakın olmadığı sürece bu, dönüştürücünün çalışmasını etkilemeyecektir. Bununla birlikte, sıcaklık artışı ve çalışma akışı yoğunluğu (operating flux density) çekirdek kayıplarını(core losses) etkileyecektir ve güvenilir çalışmayı sağlamak için bu dikkate alınmalıdır.
Çekirdek (Core) Şekli
Şekil Güç Kaynakları İçin Örnek Trafo Çekirdeği Tipleri
Çekirdek şekli ve karkas konfigürasyonu, kayıpları en aza indirmek için yüksek frekanslı transformatör tasarımı için önemlidir.
Sarım karkas/window alanı, sarım genişliğini en üst düzeye çıkarmak ve katman sayısını en aza indirmek için mümkün olduğunca geniş olmalıdır. Bu, AC sargı direncini en aza indirir.
Çok çeşitli yatay ve dik karkas tipleri bulunmaktadır. Bu karkaslar da yine metal çekirdeğin yapısına uygun şekilde ve çok çeşitlilik göstermektedir. Ağşağıda bazı çekirdek (core) ve karkas türlerine ait örnekler verilmiştir.
-
Düşük bir profil gerektiğinde EFD ve EPC çekirdekleri kullanılır.
-
EE ve EF iyi seçimlerdir ve genellikle dikey veya yatay bobinlerle kullanılır (kaplanan alan önemli olduğunda dikey bobinler iyidir).
-
ETD ve EER çekirdekleri genellikle daha büyüktür, ancak geniş bir sargı alanına sahiptir, bu da onları daha yüksek güçlü tasarımlar ve çoklu çıkış tasarımları için özellikle iyi kılar.
-
PQ çekirdekleri daha pahalıdır, ancak bilgisayar kartında biraz daha az yer kaplar ve E çekirdeklerine göre daha az tur sayısı gerektirir.
-
Kenar boşluklarına(margin wound) yer açmak için kenar boşluğu(margin wound) sargılı tip transformatör için üçlü yalıtımlı tipten daha büyük çekirdek boyutu gerekecektir. Bu daha fazla izolasyon gereken uygulamalarda kullanılır.
-
Demir çekirdeği monte ederken, farklı malzemelerden yapılmış demir çekirdekler aynı ürüne monte edilemez
Çekirdek (Core) Boyutu
-
Uygun çekirdek boyutunun tahmin edilmesine dahil olan birçok değişken vardır.
-
Uygun çekirdeği seçmenin bir yolu, üreticinin çekirdek seçim kılavuzuna başvurmaktır.
-
Orta tabaka alanı ürünü ( Wa AC ), yaygın olarak, belirli bir uygulama için çekirdek büyüklüğü bir başlangıç tahmini için kullanılan sarım için uygun pencere alanı çekirdek enine kesit alanı ile çarpılarak elde edilmiştir.
-
Çekirdek Güç işleme yeteneği, alan ürünü veya çekirdek hacmi ile doğrusal olarak ölçeklenmez. Daha büyük bir transformatör, daha düşük bir güç yoğunluğunda çalışmalıdır çünkü ısıyı dağıtan yüzey alanı, ısıyı üreten hacimle orantılı olarak artmaz.
Uygun bir referans yoksa, aşağıdaki Tablolar bir başlangıç noktası olarak kullanılabilir;
Tablolar'da önerilen çekirdek evrensel giriş aralığı voltaj aralığı(universal input voltage) yani 85-265Vac, 67kHz anahtarlama frekansı ve 12V tek çıkış uygulaması için tipik bir tablo olarak verilmiştir.
Giriş voltajı aralığı 195-265 Vac (Avrupa giriş aralığı) olduğunda veya anahtarlama frekansı 67kHz'den yüksek olduğunda, daha küçük bir çekirdek kullanılabilir.
Düşük voltajlı ve / veya çoklu çıkışlı bir uygulama için, genellikle tabloda önerilenden daha büyük bir çekirdek kullanılmalıdır.
Tablo a. Temel hızlı seçim tablosu (Evrensel giriş aralığı için(85-265Vac), fs = 67kHz ve 12V tek çıkış)
Tablo b. Temel hızlı seçim tablosu (Evrensel giriş aralığı için(85-265Vac), fs = 67kHz ve 12V tek çıkış)
Wa x Ac / güç çıkış ilişkisi şu şekilde elde edilir:
Kf = Form faktörü; kare dalga için Kf = 4
Ku = Pencere kullanım faktörü
J = Akım yoğunluğu
B max = Çalışma akı yoğunluğu
F = Anahtarlama frekansı
P o = Çıkış gücü
Volt-Zaman Ürün (V-µSec) Değeri
İzin verilen maksimum görev döngüsüne ve frekansa bağlı olarak VT değerini belirleyin.
Primer Sarım Sayısı
En kötü durum VT değerini desteklemek için gereken minimum birincil dönüş sayısını belirleyin .
Not: Ferrit için B < 0.3T
Sarım Tur Oranları
İkincil(Sekonder) / birincil(Primer) dönüş oranını hesaplayın.
Not: Diyot düşmesi Vd = 0,5-1V alınabilir. Fakat araştırma yapılıp ilgili Vd grafiğinden daha düşük Vd' ye sahip diyotlar da kullanılabilir. Bu verimi artıracaktır.
Sekonder Sarım Sayısı
Np ve Ns / Np 'ye göre kullanılacak kesin primer ve sekonder dönüş sayılarını seçin .
Primer Endüktansı
Gerekli birincil (Primer) endüktansını hesaplayın:
Aşağıdaki tablo tipik verimlilik rakamlarını göstermektedir:
Hava Boşluğu
En küçük boyut ve en düşük maliyetli transformatör, çekirdeğin tamamen kullanılmasıyla elde edilir.
Spesifik bir uygulamada, optimum çekirdek(core) kullanımı spesifik bir optimum çekirdek(core) boşluğu uzunluğu ile ilişkilendirilir.
Çekirdek boşluğu, primer dönüşlerin sayısı ve endüktans spesifikasyonu ile belirlenecektir.
Tasarımcı, boşluğun çekirdek doygunluğunu önlemek için yeterli olduğunu doğrulayacaktır.
Hava boşluklu transformatör ve indüktörlerde, kullanım boşlukları çizimlerde belirtilen hava boşluğu yöntemine uygun olacak ve boşluğa yerleştirilen malzeme 130 ℃ üzerindeki sıcaklığa dayanıklı olacaktır.
Çekirdekler arasındaki temas yüzeyi, hava boşluğu olsun veya olmasın temiz tutulmalıdır, aksi takdirde emprenye sonrası endüktans azalacaktır.
Yukarıdaki görüntü boşluklu çekirdeğin ne olduğunu göstermektedir. Boşluk, çekirdek birincil endüktansının değerini istenen bir değere düşürmek için kullanılan bir tekniktir.
Çekirdek üreticileri, istenen LG derecelendirmesi için boşluklu bir çekirdek sağlar . Değer mevcut değilse, çekirdekler arasına ara parçalar eklenebilir veya istenen değeri elde etmek için öğütülebilir.
Not: İtme-çekme, ileri, yarım köprü ve tam köprü dönüştürücü topolojileri, gerçekte gerçek bir transformatör eylemi olduğu için tipik olarak bir hava boşluğu gerektirmez.
Tel (Wire) Boyutu
Tüm sargı dönüşleri belirlendikten sonra, sargı iletim kaybını ve sızıntı(leakage) endüktansını en aza indirmek için tel boyutu uygun şekilde seçilmelidir.
Sargı kaybı, RMS akım değerine, telin uzunluğuna ve genişliğine ve ayrıca trafo yapısına bağlıdır.
-
Tel boyutu, sargının RMS akımı ile belirlenebilir.
-
Sargı kaybı, teldeki direnç miktarının bir fonksiyonudur.
-
Direnç, DC direnci ve AC Direncinden oluşur. Düşük frekanslarda, R DC >> R AC , R AC etkili bir şekilde göz ardı edilebilir.
-
Yüksek frekanslarda, AC direncini en aza indirmek için telli / Litz teli veya folyo(bakır) kullanmak gerekebilir.
-
İletkenin yüzey etkisi ve yakınlık etkisi nedeniyle, tel çapı 2 * Δd' den az olmalıdır ( Δd = yüzey etkisi derinliği(skin effect depth))
-
Akım yoğunluğunun(current density) tipik olarak 3 - 6Amp/mm 2 olduğunu farzedin.
Aşağıda sargı telinin kalınlıkları ve akım taşıma kapasiteleri AWG(American Wire Gauge) ve mm olarak verilmiştir;
Bir diğer tablo yine farklı parametrelerle aşağıda verilmiştir;
Dolgu Faktörü (Fill Factor)
Dolgu faktörü(fill factor), çekirdeğin tüm pencere(karkas) alanı için sarma alanı anlamına gelir (<1 olmalıdır).
İlk tasarımlar için, yaklaşık %50'den büyük olmayan bir doldurma faktörünün kullanılması tavsiye edilir.
Yüksek güç yoğunluğuna ve çoklu çıkışlara sahip transformatörler için bu faktörün daha da azaltılması gerekebilir.
Tel ebatları belirlendikten sonra, seçilen çekirdek ile pencere alanının hesaplanan sargılara uygun olup olmadığının kontrol edilmesi gerekir.
Her sarımın gerektirdiği pencere alanı sırasıyla hesaplanmalı ve birlikte eklenmeli, sarım arası yalıtım alanı, bobin ve dönüşler arasında var olan boşluklar da dikkate alınmalıdır. Bu değerlendirmelere dayanarak, gerekli toplam pencere alanı daha sonra seçilen bir çekirdeğin mevcut pencere alanı ile karşılaştırılır.
Gerekli pencere alanı seçilenden daha büyükse ya tel boyutu küçültülmeli ya da daha büyük bir çekirdek seçilmelidir.
Elbette tel boyutundaki küçülme, transformatörün bakır kaybını artırır. Akım kapasitesini azaltır.
Çekirdek Kaybı (Core Loss)
Bir transformatörde çekirdek kaybı, sekonder sargı boyunca uygulanan voltajın bir fonksiyonudur. Bir indüktörde, indüktör yoluyla uygulanan değişken akımın bir fonksiyonudur. Her iki durumda da, çekirdek kaybını(core loss) tahmin etmek için çalışma akısı yoğunluk seviyesinin(operating flux density level) belirlenmesi gerekir.
Bilinen frekans ve B seviyesi ile çekirdek kaybı(core loss); malzeme çekirdek kaybı eğrilerinden tahmin edilebilir.
Bakır Kaybı (Copper Loss)
Bir transformatörde bakır kaybı, AC ve DC dirençlerinin bir fonksiyonudur.
Sıcaklık Artışı
Genel devre güvenilirliği için sıcaklık artışı önemlidir. Belirli bir sıcaklığın altında kalmak, kablo yalıtımının geçerli olmasını, yakındaki aktif bileşenlerin nominal sıcaklıklarının ötesine geçmemesini ve genel sıcaklık gereksinimlerinin karşılanmasını sağlar.
Termal kaçak, çekirdeğin Curie sıcaklığına kadar ısınmasına neden olarak tüm manyetik özelliklerin kaybına ve yıkıcı arızaya neden olabilir.
Toplam güç kaybı Watt cinsinden ölçülür ve yüzey alanı cm2 ' dir.
Trafo Yapısı
Özel bir hüküm yoksa, yatay modeldeki toprak çekirdek birincil uç içindir ve dikey modelde pim ucu içindir.
Çekirdek sarma işleminin nerede başladığı ve nerede bittiği; dikey tip için, sargılar ortada başlar ve biter; yatay tip için, sargılar pim 1'de başlar ve biter; bazı bakır folyo sargılar kaynak noktalarında başlar ve biter.
Karkas seçerken plastik modeller yüksek sıcaklığa dayanıklı değildir ve pim kaymaları üretme eğilimindedir. Kaliteli bir karkas kullanın.
Pinlere lehim pastası uygulayın.
Lehimleme ve kılıflama sırasında kısa devreden kaçının.
Özel düzenlemeler ve gereksinimler haricinde, bobinin sarım alanının program çizimine göre eşit ve düzgün bir şekilde sarılması esastır.
Kelepçeli bir dizi karkas kullanın pahalı değilse tabiki. U çekirdeklerin daha sıkı durmasını sağlayacaktır.
Bakır tel, pimin tabanına sıkıca tutturulacaktır; kablo uçlarından çıkmasına, pimi kırmasına, bakır teli ezmesine veya modele zarar vermesine izin verilmez. Ayrıca bakır telin fazlalık kısmı kesilmelidir.
Transformatörün yapısı, primer sargının kaçak endüktansı(leakage inductance) üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.
Kaçak endüktansı, yarı iletken anahtar kapatıldığında bir voltaj yükselmesine neden olur. Bu nedenle kaçak endüktansının en aza indirilmesi, daha düşük bir voltaj yükselmesine neden olur ve primer üzerindeki sönümleme(snubber) devresine gerek kalmaz, hatta daha küçük veya daha az güç harcanacak sönümleme komponentleri kullanılır.
Transformatörlerde Bakır Folyo Kullanımına İlişkin Gereklilikler:
Transformatördeki pozisyona göre iç bakır ve dış bakır olarak ikiye ayrılabilir.
Çıplak bakır genellikle transformatörlerin dış bakırında kullanılır. Bakır folyo genellikle transformatörde koruyucu bir rol oynar, esas olarak kaçak endüktansı ve mıknatıslama akımını azaltmak görevini üstlenir. ve sargıdan geçen akım çok yüksek olduğunda iletken görevi görür ve bakır tellerin yerine geçer.
-
Bakır folyo sarımı, bakır folyonun kenarını düzleştirmeli ve bobinin köşesinde yapmaktan kaçınmalı, ancak sekonder ve primer tabakaların sıkışmasını ve bandı kırmasını önlemek ve ve bir kısa devre oluşturmamak için bakır folyoyu bobinin ortasından sarmalıdır. .
-
İç bakır levha, transformatör katmanları arasında kalkan sargısı olarak kullanıldığında genişliği, tabakanın sarma alanını mümkün olduğunca örtmelidir. Bakır folyonun kalınlığı 0,025 mm'den (1 mil) daha az olduğunda, her iki uçta da yuvarlanma yoktur. Ancak kalınlığı 0,05 mm'den (2 mil) fazla olduğunda, her iki uç da yuvarlak bir şekilde işlenmelidir.
-
Bakır folyo düz olarak sarılmalı ve bir tarafa eğilmemeli veya bobin bariyerlerinin ötesine geçmemelidir.
-
Dış bakır kaynağı yani kalkan olarak dışarıdan kullanılacaksa bu alt bölümlerde incelenmiştir.
Kaçak endüktansı en aza indirmek için aşağıdaki teknikler kullanılır:
-
Trafo sargıları her zaman eş merkezli olmalıdır, yani kuplajı maksimize etmek için üst üste olmalıdır, bu nedenle bölünmüş ve çok kesitli bobinler kullanılmamalıdır.
-
Sargının birinci tabakasının en içteki sargı olduğu ve ikinci tabakanın dışarıya sarıldığı bir bölünmüş primer sargının kullanılması.
-
Çoklu çıkış transformatöründe, en yüksek çıkış gücüne sahip sekonder, en iyi kaplin ve en düşük kaçak için primere en yakın yerleştirilmelidir.
-
Sadece birkaç dönüşlü sekonder sargılar, primere bağlanmayı en üst düzeye çıkarmak için bir araya toplanmak yerine bobin penceresinin genişliği boyunca aralıklı yerleştirilmelidir.
-
Birden fazla paralel teli kullanmak, bir sargının birkaç dönüşle doldurma faktörünü ve kuplajını artırmak için ek bir tekniktir.
-
Kaçak endüktansı en aza indirmek ve yine de izolasyon gereksinimlerini karşılamak için, sargıları üçlü yalıtımlı kablolar ve minimum bant katmanları kullanarak tasarlayın.
Uluslararası güvenlik standartlarını karşılamak için kenar boşluğu sargısı yapısı veya üçlü yalıtımlı tel yapısı kullanılır. Alttaki resimlere bakınız.
Trafo nasıl sarılır?
Burada Örnek basit bir trafo sarmak istiyorsak alttaki şekildeki gibi sarım yöntemi uygulanacaktır. Tam algılanabilmesi için primer, sekonder ve bias sargısı ayrı ayrı sarım olarak gösterilmiştir.
Kaçak endüktans söz konusu ise yukarıdaki paragraflarda belirtildiği şekilde sarılmalıdır. Push-pull sarım burada anlatılandan farklıdır. Push-pull primer sargısı ileriki yazılarda anlatılacaktır.
Şekil Trafonun üstten görünümü
Şekil Örnek bir SMPS trafo sarımı-1
Şekil Örnek bir SMPS trafo sarımı-2
Elektriksel ölçümler
Burada bir kaç parametre bulunmaktadır;
-
Trafoda faz ve polarite ölçümü
-
Primer endüktansı
-
Ön gerilim(Bias or Auxilary) sargı endüktansı
-
Sekonder endüktansı
-
Kaçak endüktans
Topolojiye göre değişir bazı topolojilerde endüktansın önemi bulunmamaktadır. Flybak tasarımında primer endüktansı ve kaçak endüktans çok önem kazanmaktadır. Burada diğer topolojilerin durumlarına şimdilik değinilmeyecektir.
Sarım yönlerinin düzgün yapılması
Trafonun yönlerine dikkat ederek sarım işlemini bitirdikten sonra, primer tarafından 1kHz / 1V luk bir sinüs sinyalini bir sinyal jeneratörü vasıtasıyla uygulayın.
Bu durumda; anlaşılması için tüm sargıların tur sayısını 1 aldığımızdan aynı genlikte yani 1V genliğinde sinüs sinyali göreceğiz ama fazları farklı yönde olacaktır. Bu test sonrası yönler doğruysa trafonuz son haline yakın hale gelmiş olacaktır. Sıradaki işlemlere geçilmelidir.
Endüktans Ölçümleri
Güç kaynağı tasarımcıları, bir tasarım için uygun indüktör değerini belirlemek için tipik olarak simülasyon tekniklerini kullanır. İndüktörü ürettikten sonra, yaygın bir uygulama, bir LCR ölçer kullanarak endüktansı doğrulamaktır.
Bununla birlikte, çoğu LCR ölçer, bileşeni dar bir frekans aralığında sinüzoidlerle uyarır, bu nedenle bu, bileşenin kabaca doğru değer olduğunu doğrulamak için iyi bir teknik olsa da, devre içi performansın zayıf bir öngörücüsüdür.
Bir indüktörün endüktans özellikleri, gerçek zamanlı çalışma koşullarında değişebilen akım ve voltaj kaynağı uyarma sinyaline, dalga şekline ve çalışma frekansına bağlıdır. Bu nedenle, güç kaynağının dinamik olarak değişen ortamında bir indüktörün davranışını ölçmek ve gözlemlemek önemlidir.
Bu ölçümler, genellikle bir diferansiyel voltaj probu ile cihaz üzerindeki voltajın araştırılmasıyla yapılır. Manyetik bileşen boyunca akımı ölçmek için tipik olarak bir akım probu kullanılır.
Bir transformatörün endüktansını ölçerken, ikincil sargının yüklenmesinden kaçınmak önemlidir. Yüksüz durumda birincil sargıda endüktans ölçümü, tek sargılı bir endüktör için endüktans ölçmeye eşdeğerdir.
Aynı çekirdekte birden fazla sargılı bağlı indüktörün endüktansını ölçtüğünüzde, endüktansın ölçülen değeri, akımın diğer sargı (lar) üzerindeki etkisine bağlı olarak gerçek değerden sapacaktır.
Kaçak Endüktans Ölçümü
Transformatörlerde Kaçak Endüktansın açıklaması, neden önemli olduğu ve ölçümlerin en iyi nasıl yapılır?
Kaçak endüktans, bir sargının diğerine kusurlu manyetik bağlantısından kaynaklanan bir transformatörde bulunan endüktif bir bileşendir. Birincil sargıyı ikincil sargıya bağlamayan herhangi bir manyetik akı, birincil ile seri olarak endüktif empedans olarak hareket eder, bu nedenle bu "sızıntı endüktansı", ideal bir transformatörün birincilinden önce ek bir endüktans olarak şematik bir diyagramda gösterilir.
Anahtarlamalı güç kaynakları ve aydınlatma balastları gibi bazı uygulamalarda, transformatörün kaçak endüktansı, ürün tasarımında kritik bir işlev oynayabilir. Bu nedenle, kaçak endüktansın doğru ölçümü genellikle transformatör üreticileri için önemli bir test fonksiyonudur. Diğer transformatör özellikleriyle karışıklığı önlemek için, bu teknik not, sargı direnci veya sargılar arası kapasite gibi diğer kayıp bileşenlerine atıfta bulunmayacaktır.
Manyetik alan (manyetik akı çizgileriyle temsil edilir), en az manyetik direnç (isteksizlik) yolunu izler. Birinci sargı tarafından oluşturulan akının tamamı ikinci sargıdan akmaz.
Kaçak akı, iki sargıyı birbirine bağlamayan ve enerji kaybına neden olan akıdır.
Çekirdek ve sargı kayıpları gibi transformatörün verimliliğini azaltan başka enerji kayıpları da vardır, ancak bunlar burada ayrıntılı olarak tartışılmayacaktır.
Kaçak akı miktarını azaltmanın bir yolu, iki sargı arasındaki yolu kısaltmak veya sargıları üst üste yerleştirmektir.
Sargıların uygun şekilde yapılandırılması, akının daha fazla sargıyı birbirine bağlamasına izin verir ve kayıpları sınırlar.
Transformatörün, DC akımlarının izolasyonu, gerilim ve akım dönüşümleri ve empedans uyumu gibi birçok kullanımı vardır.
Birincil sargılardan ikincil sargılara aktarılacak sinyallerin tipi, bir uygulamada kullanılması gereken trafo tipini belirler.
Örneğin, büyük miktarlarda akım taşıyan iki sargı arasında DC izolasyonu sağlamak için gereken bir transformatör, küçük bir sinyal iletişim ağına bir empedans eşleşmesi sağlaması gereken bir transformatörden farklı şekilde tasarlanacaktır.
Gerçek trafo
Gerçek bir transformatörde, birincildeki akının bir kısmı ikincil sargıyı bağlamayabilir. Bu "sızıntı" akısı, transformatör eyleminde hiçbir rol almaz ve birincil sargı ile seri halinde olan ek bir endüktif empedans olarak gösterilebilir (şekil 2).
Gerçek transformatör artı bir hava boşluğu
Bazı transformatör tasarımlarında, kaçak endüktans, toplam endüktansın daha büyük bir oranı olmalıdır ve sıkı bir tolerans içinde belirtilmelidir. Artan sızıntı endüktansı oranı, genellikle çekirdek tasarımına bir hava boşluğu eklenerek elde edilir, böylece çekirdeğin geçirgenliği ve dolayısıyla birincil endüktans değeri azaltılır. Birincil sargıyı ikincil sargıya bağlamayan akı oranı, bu nedenle her iki sargıyı birbirine bağlayan akıya göre artacaktır (Şekil 3).
Kaçak endüktans ölçümü neden önemlidir?
Bir trafo bileşeninde, "Sızıntı endüktansı" (LL) istenmeyebilir, bu durumda değeri düşük olduğunu göstermek için ölçmek önemlidir.
Bazı elektronik aydınlatma balastları ve rezonans güç dönüştürücüleri gibi bazı uygulamalarda, sızıntı endüktansı kasıtlı olarak artırılıp tanıtılmaktadır ve değeri devre tasarımının ayrılmaz bir parçasıdır.
Bu uygulamalarda, kaçak endüktans, bitmiş ürünün doğru çalışmasını sağlamak için gerekli olan bir enerji depolama ortamı sağlar. Bu nedenle, transformatörün kaçak endüktans değerinin belirli sınırlar içinde olduğunun bilinmesi önemlidir.
Kaçak endüktans nasıl ölçülür?
Bir LCR ölçer, açık devre ikincil terminalleri olan bir transformatörün birincil sargısına bağlandığında (şekil 4), endüktans (L) değeri, birincil endüktans (LP) artı kaçak endüktansı (LL) içerir.
LL, transformatör içinde bir fonksiyon olduğundan, değerini doğrudan ölçmek açıkça mümkün değildir. Bu nedenle, LP değerini toplam ölçülen endüktanstan çıkarmak için bir yöntem kullanılmalıdır.
Bu, ikincil terminallere kısa devre uygulanarak elde edilir (şekil 5).
Mükemmel bir kısa devre, çıkış terminallerinde sıfır volta neden olur (şekil 6) ve transformatör hareketi yoluyla, birincil endüktans boyunca sıfır volt da görünecektir.
Birincil terminallerde ölçülen endüktans değeri bu nedenle gerçek sızıntı endüktansı (LL) olacaktır.
Ne yazık ki, bir transformatörün sekonderinde mükemmel bir kısa devre elde etmek bir laboratuvarda zordur ve bir üretim ortamında tamamen pratik değildir. Üretimde, kısa devrenin manuel olarak veya anahtarlanabilir bir röle ile uygulanması yaygındır.
Bu koşullar altında, mükemmel bir kısa devre elde edilemez ve bu, ikincil voltajın gerçekten sıfır olmayacağını izler. Kusurlu kısa devreye atfedilebilen voltaj, daha sonra birincil endüktans boyunca, dönüş oranı ile çarpılan bir kısa devre hatası olarak görünecektir (şekil 7).
Ls / c, birincilde N 2 Ls / c olarak yansıtılır çünkü herhangi bir sargıda L, kare dönüş sayısıyla orantılıdır (L α N 2 ).
Böylece, Ls / c şunun bir fonksiyonu olarak yansıtılır:
(Np / Ns) ^ 2 = (Lp / Ls)
Birincil endüktansın ölçülen değeri, vektörel olarak, kaçak empedans artı kısa devre hatasının yansıyan empedansı toplamı olarak kabul edilebilir. Bu, şekil 8'de gösterilmektedir.
Ls / c, birincilde N 2 Ls / c olarak yansıtılır çünkü herhangi bir sargıda L, kare dönüş sayısıyla orantılıdır (L α N 2 ).
Böylece, Ls / c şunun bir fonksiyonu olarak yansıtılır:
(Np / Ns) ^ 2 = (Lp / Ls)
Birincil endüktansın ölçülen değeri, vektörel olarak, kaçak empedans artı kısa devre hatasının yansıyan empedansı toplamı olarak kabul edilebilir. Bu, şekil 8'de gösterilmektedir.
SONUÇ:
Genellikle LCR yerine kaliteli bir indüktör ölçen cihaz kullanımı, tasarım esnasındaki hataları ve tolerans oranını prototip aşamasında daha düzgün ölçmenizi sağlayacaktır. Ama amatör olarak ilgileniyorsanız bir LCR metre işinizi görmeye devam edecektir.
Transformatör kalkanı(shielding)
Transformatörün tamamının etrafında bir akı bandı (bakır ekran) kullanılması, transformatördeki girdap akımları için çevresel bir radyasyon kalkanı sağlayacaktır.
Bu kalkan(shield), tüm düzeneğin etrafındaki topraklanmış bir bakır folyo halkasıdır. Bu tekniğin kullanılması, izolasyon gereksinimlerinin ve sızıntı ve boşluk sorunlarının dikkatli bir şekilde değerlendirilmesini gerektirir.
Aşağıdaki Şekil' lerde trafo için shield (kalkan) uygulamalarına bir örnek gösterilmiştir. Bu shield/kalkan şekli kullanılarak trafo sargıları arasında çeşitli şekillerde kullanılabilen Y2 kapasitörü kullanılmayabilir. Burada amaç, yayılan EMC (radiated EMC) için bu shield 'in kullanılmasıdır. Y2 kapasitörü daha ucuz bir çözümdür. Fakat bazen yayınım bazlı EMI' ı sönümlemenin yolu hem shield kullanmak hem de Y2 kapasitör kullanmaktan geçebilir. Bazen kullanmamak ta çözüm olabilir. Bu durum EMC testleri esnasında teyit edilebilir.
Bazen de ilk paragrafta belirtildiği gibi; transformatörün tamamının etrafında bir akı bandı (bakır ekran) kullanılması, transformatördeki girdap akımları için çevresel bir radyasyon kalkanı sağlayacaktır. Bunun uygulamaları aşağıda verilmiştir.
Kontrol Listesi
Trafo elle sarılmışsa aşağıdaki konular kontrol edilmelidir;
-
Tüm olarak trafoda çatlak veya kopukluk olup olmadığı;
-
Çekirdeğin kırılıp kırılmadığı;
-
İzolasyon için kullanılan bandın delinmiş olup olmadığı;
-
Karkasın hasarlı veya çok kısa olup olmadığı;
-
Yanlış ayağın kesilip kesilmeyeceği.
-
Karkas, çekirdek ve pinler üzerindeki kirleri temizleyin
-
Emprenye işlemini evde yaptıysanız, transformatörün PCB'ye (Baskılı Devre Kartı) düz bir şekilde tutturulabilmesi için transformatör göbeğinin etrafında yapıştırıcı (izolasyon boyası katıları) bırakılmamalıdır.
-
Varsa bakır ve kalay kalıntılarını çıkarın.
-
Demir çekirdek asla gevşetilmemelidir.
-
Endüktans ayarı için hava aralığı bırakılmışsa sıkıca tutturulmalıdır.
-
Pimler dikey ve pürüzsüz olmalı, gevşek veya kırılmamış veya herhangi bir iz olmamalıdır.
-
Pimlerin bükülmesi ve içindeki bakırın havaya maruz kalmaması oksidasyona neden olur
-
bobinlerin pim uzunluğu bilinerek karkas türü önceden belirlenmelidir. PCB ye montaj sonrası kesilme pinler uzunsa kesilme işleminin bir işçilik maliyet olduğunu unutmayınız.
-
Elle sarılsa bile üzerine tur oranları , endüktans, kaçak endüktans ve taraih olan elle bir yazı ve etiket yapıştırmayı unutmayın
-
Tüm noktaların netleştirildiğini ve doğru konumda olduğunu kontrol edin.
-
Kusurlu ürün, tamir edilemiyorsa veya gözle görülmeyen bir hata varsa sargıları ve herşeyi söküp yeniden sarımlayı yapın. Ya da yeni bir karkas veya çekirdek alıp tekrar sarımları yapın.
İzolasyon
5 KV'da Yüksek Gerilim Kaçak Testi genel anlamda yapılamlıdır. İzolasyon bazen trafonun sınırlarına kadar kullanıldığında sıkışık olabilir. Bu durumda 1kV -1.5kV aralığında bir izolasyon da sizin için yeterli olabilir.
Vernikleme ve Vakumlama
Askeri, havacılık, tıp ve yüksek voltaj gibi yüksek performanslı uygulamalar genellikle ekstra koruma ve izolasyon seviyesi gerektirir.
Epoksiler ve / veya verniklerle vakumlu emprenye, bu yüksek düzeyde performans ve dayanıklılık sağlayabilir. Ayrıca kulağa gelen vınlama seslerini azaltacaktır.
Bobine yakın sarımın en iç katmanına kadar vernik penetrasyonu yapılan Vakum Emprenye cihazlarıyla yapılmalıdır. Bu, nem sıkışması nedeniyle bakır tel korozyonu olasılıklarını ortadan kaldırır.
İzolasyon boyası ve tiner oranı 2: 1'dir. İzolasyon boyası konulduğunda izolasyon boyasının yüksekliği tamamen suya daldırılmış ürüne göre olacak, ancak izolasyon boyası bakır pimlerin üzerine yerleştirilmeyecektir.
Trafoya kurutma yapılacaksa; kurutma: önce fırını 80° C'de bir saat önceden ısıtın ve ürünü iki saat kurutmak için 100° C'ye ayarlayın; ikincisi, ürünü 4 saat kurutmak için 110° C'ye ayarlayın.
Askeri sistemlerle ilgili tüm donanım deneyimlerimi paylaştığım, 100'den fazla makaleme, binlerce kişinin ziyaret ettiği BLOG' uma üye olarak, tam erişim sağlayabilirsiniz.
Ayrıca; gün geçtikçe sayısı artan yeni makalelerimden ve yakında siteye eklenecek olan özel devre arşivinden faydalanmak ve anında haberdar olmak için lütfen BLOG' a üye olunuz. BLOG' a üye olmak tamamen ücretsizdir.
BLOG' a üye olarak diğer BLOG üyeleriyle iletişime geçebilir. Aynı zamanda BLOG' da önemli bulduğunuz makale ve yazıları paylaşabilirsiniz.
Danışmanlık için "ahmetturanalgin@gmail.com" adresinden kontak kurabilirsiniz.
