Anahtarlamalı (Yüksek Frekanslı) Transformatörler: Telefon Şarj Cihazınız Neden Bu Kadar Küçük?

Sade bir dille bu nedir?

Vana kapalıyken dolan, vana açıldığında borudan boşalan bir su deposu hayal edin. Anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) transformatörü de aynı fikir üzerinde çalışır. Doğrudan 50/60 Hz şebekeden çalışan eski bir kapı zilindeki ağır demir transformatörün aksine, telefonunuzun şarj cihazının içindeki küçük transformatör, akımı her saniyede onbinlerce kez açıp kapatıyor. Bu yüksek anahtarlama hızı, onu küçük, hafif ve verimli kılan püf noktasıdır ve bu bileşenin neredeyse her modern elektronik cihazın kalbinde yer almasının nedeni de budur.

Prensip ve türleri

Düşük güçlü tasarımların çoğunda, bir SMPS transformatörü, klasik bir transformatörden ziyade gerçekte bir bağlı indüktördür (IEEE Technology Navigator'a göre). Açma aralığı sırasında birincil akım, di/dt = Vin / Lp'yi (burada Lp birincil mıknatıslama endüktansıdır) takip ederek yükselir ve enerji manyetik çekirdekte depolanır . Anahtar açıldığında alan çöker ve enerji izole edilmiş ikincil kısma salınır . İki sargı asla aynı anda iletmediği için, ferrit çekirdekte bir hava boşluğu doymadan enerji depolamak için gereklidir (Elektronik Tasarım, "Boşluğa Dikkat Edin").

Yaygın topolojiler geri dönüş (yaklaşık 5-150 W, bir anahtar, birkaç izole çıkış), ileri ve LLC rezonansıdır. Ferrit çekirdekler (manganez-çinko veya nikel-çinko), 20 kHz ila birkaç yüz kHz aralığı için standart seçimdir.

Bir mühendisin ayarlaması gereken temel parametreler

• Dönüş oranı Np:Ns — görev döngüsü D ile birlikte çıkış voltajını ayarlar (ROHM: D = (Vout + Vf)·Np/Ns / (Vin + (Vout + Vf)·Np/Ns)).

• Birincil mıknatıslama endüktansı Lp — tepe akımını ve depolanan enerjiyi ayarlar (E = ½·Lp·Ip²).

• Maksimum akı yoğunluğu salınımı — doygunluğu önlemek için 100 °C'de (ROHM tasarım notu) Bmax ≤ yaklaşık 0,4 T'yi koruyun.

• Sızıntı endüktansı - susturuculara veya aktif kelepçelere ihtiyaç duyan kapatma voltajı yükselmelerine neden olur (Texas Instruments'ın geri dönüş tasarım referanslarına göre).

Uygulama örneği

12 V / 2,5 W adaptörde, geri dönüş transformatörü tipik olarak EP7 veya EE16 ferrit çekirdek kullanır, Lp ≈ 30–250 µH, Np:Ns ≈ 5:1, 65–140 kHz'e yakın anahtarlama (Texas Instruments, ROHM). Primer ve sekonder arasındaki galvanik izolasyon, sargı izolasyon sistemi ve tasarımın güvenlik açısından kritik kısmı olan kaçak/boşluk mesafeleri ile sağlanır.

Yaygın yanılgı ve eğlenceli bir gerçek

Yanlış kanı: "Transformatör bir transformatördür; sadece 50/60 Hz'lik bir transformatöre başvurabilirim." Yanlış. Bir SMPS transformatörünü hat frekansında çalıştırdığınızda neredeyse anında doyar, çünkü Faraday yasasının akı limiti dahilinde kalması için yüksek frekansa (veya büyük bir çekirdeğe) ihtiyacı vardır.

Eğlenceli gerçek: Aynı geri dönüş prensibi, bir zamanlar CRT televizyon setlerinin içinde 15–30 kV ışın voltajı üretmişti; "geri dönüş" adı buradan geliyor.

Güvenlik standardı

Bu tür transformatörler, IEC 61558-2-16:2021 , Anahtarlamalı güç kaynağı üniteleri için özel gereklilikler ve IEC 61558-1:2017 ile birlikte kullanılan anahtarlamalı güç kaynağı üniteleri için transformatörler tarafından yönetilir. IEC'ye göre, nominal besleme gerilimi ≤ 1100 V AC, besleme frekansı ≤ 500 Hz, dahili çalışma frekansı > 500 Hz ila 100 MHz ve nominal çıkışı ≤ 1 kVA veya 1 kW olan hava soğutmalı SMPS'yi kapsar. Sistem düzeyinde güvenlik ayrıca IEC 62368-1'e referans verebilir.