Điều gì làm cho máy biến áp trong SMPS nhỏ hơn?

Tôi đang đọc về cách thức hoạt động của SMPS và tất cả các video nói rằng sau giai đoạn cắt điện áp cao, giờ đây có thể sử dụng một máy biến áp nhỏ hơn, vì tần số cao này. Câu hỏi của tôi là, làm thế nào để tần số chuyển đổi cao hơn dẫn đến một máy biến áp nhỏ hơn?

Nói cách khác, điều gì làm cho việc chuyển đổi 50-60Hz AC đòi hỏi một máy biến áp lớn hơn?

Hãy tưởng tượng máy biến áp 50/60 Hz là một cuộn cảm được nối với AC - bỏ qua các cuộn thứ cấp và tập trung vào cuộn dây sơ cấp. Cuộn dây sơ cấp được kết nối qua AC và nó có thể được coi là một cuộn cảm đơn giản. Bao nhiêu dòng điện này lấy từ (nói) một nguồn cung cấp AC 220 V?

Thông thường nói rằng chúng ta không muốn nó mất nhiều vì dòng điện bị lãng phí không làm gì khác hơn là từ hóa lõi. Vì vậy, trong một máy biến áp xoay chiều có kích thước trung bình (cảnh báo tổng quát!), Nó có thể bị tổn thương khi có độ tự cảm của (10) henries. Điều này sẽ có trở kháng ở 50Hz là: -

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

Điều này sẽ có dòng điện 220 V / 3142 ohms = 70mA và điều đó ổn trong cuốn sách của tôi. Khi cuộn dây thứ cấp không tải được thêm vào, nó vẫn mất 70mA và khi được tải, nó sẽ có dòng tải "được gọi là chính" + 70mA.

Máy biến áp chuyển mạch hoạt động ở tần số 100kHz không cần phải có bất kỳ nơi nào có cùng độ tự cảm - điều này là do nó hoạt động ở tần số 100kHz (hoặc 1 MHz hoặc tần số cao tùy ý). Nó có thể có độ tự cảm thấp hơn theo tỷ lệ của các tần số, tức là 50 chia cho 100.000 - điều này có nghĩa là nó có thể có độ tự cảm là 5 milli henries và vẫn hoạt động tốt (nhưng ở tốc độ cao hơn).

Hãy tự hỏi, máy biến áp nào lớn hơn - một máy có độ tự cảm chính là 10 hen hay một máy có độ tự cảm chính là 5 mH?

EDIT - phần trên máy biến áp bay ngược

Đó là tin tức tốt hơn cho các thiết kế chế độ công tắc bay ngược (như được sử dụng trong hầu hết các bộ chuyển đổi AC-DC công suất thấp đến trung bình) - độ tự cảm chính trở thành một "tính năng" của thiết kế - nó được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong một nửa của PWM chu kỳ và sau đó năng lượng đó được giải phóng vào thứ cấp trong nửa chu kỳ thứ hai. Nếu độ tự cảm chính là (giả sử) 1000 uH và giả sử nó được "tích điện" trong 5 chúng tôi và "giải phóng" trong 5 chúng tôi tiếp theo, năng lượng mỗi lần truyền có thể được tính bằng cách ước tính trước dòng điện cực đại: -

$\dfrac{220V\cdot\sqrt2\times 5\times 10^{-6}}{1000\times 10^{-6}}$ = 1.556 A

• Công thức trên chỉ là V = $L\dfrac{di}{dt}$ băm lại
• 220 x x sqrt (2) là điện áp DC được điều chỉnh và làm mịn thu được từ AC

Sau đó, hiện tại chuyển đổi thành năng lượng = $\dfrac{L\cdot I^2}{2}$ = 2,42 mJ

Điều này có thể được biến thành sức mạnh bằng cách nhân với 100.000 (tần số chuyển đổi) tức là 242 watt. Sử dụng cấu trúc liên kết bay ngược cho phép bạn sử dụng độ tự cảm chính và hạ thấp nó vượt xa những gì bạn có thể làm một cách hợp lý trong việc cung cấp năng lượng tuyến tính. Hy vọng điều này có ý nghĩa.

Đối với mục đích hiểu trực giác vấn đề kích thước, hãy tưởng tượng rằng máy biến áp là một cái xô. Hãy tưởng tượng rằng với tần suất nhất định, bạn lấy nước từ giếng và đặt nó vào một hồ bơi.

Nói rằng bạn cần cung cấp 60 lít mỗi phút. Nếu bạn nhận được 1 xô nước trong 10 giây, thì bạn cần một thùng 10 lít. Tuy nhiên, nếu bạn lấy 1 xô nước cứ sau 2 giây, thì bạn chỉ cần một thùng 2 lít.

Bằng cách tăng tốc độ, bạn giảm yêu cầu kích thước, và vì ngày nay khá dễ dàng để chế tạo thiết bị điện tử rất nhanh, kích thước của máy biến áp đã giảm đáng kể.

Lưu ý rằng đây không phải là cách SMPS thực sự hoạt động, flyback được mô tả bởi "Andy aka" là gần nhất với điều này, nhưng điều này sẽ cho bạn hiểu về tác động của tần số.

Hãy trả lời đầu tiên. Điện trở là tích của 2, pi, tần số và độ tự cảm. Để có được kết quả tương tự, bạn có thể giảm độ tự cảm (kích thước) khi tăng tần số.

Phân tích phương trình đơn giản sẽ cho kết quả như sau:

XL = 2 * pi f L

Điều này ngụ ý rằng độ tự cảm và tần số có tỷ lệ nghịch .

Nói cách khác, đối với các tần số cao hơn, độ tự cảm có thể giảm cho cùng một giá trị trở kháng.

Vì vậy, ví dụ, tôi muốn máy biến áp của tôi tiêu thụ dòng điện tối thiểu, sau đó tôi sẽ chọn trở kháng cao nhất có thể.

Hãy lấy ví dụ tương tự như được cung cấp bởi Andy aka .

Dòng điện tiêu thụ bởi máy biến áp sơ cấp phải nhỏ hơn 70mA

Giả sử điện áp có tần số 220 @ 50Hz (Chỉ là một ví dụ)

Bây giờ, V = 220 V và I = 70mA cho, R ~ 3142E.

Trong trường hợp của chúng tôi R = XL = 3142E.

Khi f = 50Hz, L ~ 10H

Khi f = 500Hz, L ~ 1H

.

.

.

Khi f = 100kHz, L ~ 5mH

Cho phép xem các thông số khác nhau ảnh hưởng đến kích thước của cuộn cảm .

1. Không có lượt (Nhiều lượt tự cảm hơn)

2. Khu vực cuộn dây (Tăng diện tích cho độ tự cảm nhiều hơn)

3. Chiều dài cuộn dây (Độ tự cảm tăng khi tăng chiều dài)

4. Vật liệu cuộn (Độ thấm từ của cuộn cảm càng lớn thì độ tự cảm)

Các tham số trên cho thấy rằng đối với cùng một vật liệu được sử dụng, kích thước của Cuộn cảm sẽ tăng lên khi tăng Độ tự cảm.

Do đó, từ tất cả các phân tích trên có thể nói rằng,

Để giảm kích thước máy biến áp chúng ta cần tăng tần số.

Lưu ý : Yêu cầu kiểm duyệt. Đây là phân tích của tôi và do đó chỉ nên được xem xét nếu có đủ chuyên gia ủng hộ lời nói của tôi.

Bạn có thể tưởng tượng lõi máy biến áp bị từ hóa 'hoàn toàn' bởi điện áp đầu vào. Điều này đại diện cho một lượng năng lượng nhất định. Tiếp theo năng lượng này được cung cấp cho đầu ra. Chu kỳ này được lặp đi lặp lại nhiều lần.

Mỗi chu kỳ biến đổi một lượng năng lượng tối đa, bị giới hạn bởi lượng từ tính mà lõi có thể 'giữ'. Do đó tần số cao hơn truyền nhiều năng lượng hơn.

Nếu bạn cung cấp cho máy biến áp ở tần số thấp hơn thì emf trong một lượt ở sơ cấp thấp hơn tần số cao hơn, nó sẽ xảy ra khi máy biến áp được cung cấp ở tần số thấp hơn, dòng điện đầu vào sẽ tăng, do đó tiết diện của cuộn dây sơ cấp sẽ tăng so sánh tương tự thực hiện cho số vòng quay ở phía thứ cấp dẫn đến thực tế là số vòng quay sẽ tăng cho máy biến áp với tần số thấp hơn