Estoy leyendo cómo funcionan las SMPS y todos los videos dicen que después de la etapa de corte de alto voltaje, ahora se puede usar un transformador más pequeño, debido a esta alta frecuencia. Mi pregunta es, ¿cómo resulta una frecuencia de conmutación más alta en un transformador más pequeño?
En otras palabras, ¿qué hace que la conmutación de CA de 50 a 60 Hz requiera un transformador más grande?
Imagine que el transformador de 50/60 Hz es un inductor conectado a la CA - ignore las bobinas secundarias y concéntrese en el devanado primario. El devanado primario está conectado a través de la CA y puede considerarse como un inductor simple. ¿Cuánta corriente toma este inductor de (digamos) un suministro de 220 VCA?
El sentido común dice que no queremos que tome mucho porque la corriente se desperdicia haciendo nada más que magnetizar el núcleo. Por lo tanto, en un transformador de CA de tamaño medio (¡alerta de generalismo!) Se podría dañar si tiene una inductancia de (digamos) 10 henrios. Esto tendrá una impedancia a 50Hz de: -
\ $ X_L = 2 \ pi \ cdot f \ cdot L \ $ = 3142 ohms.
Esto tomará una corriente de 220 V / 3142 ohmios = 70mA y eso está bien en mi libro. Cuando se agrega el devanado secundario descargado, todavía toma 70 mA y cuando está cargado toma la corriente de carga "referida a primaria" + 70 mA.
Un transformador de conmutación que opera a (digamos) 100 kHz no necesita tener una inductancia cercana, esto se debe a que está operando a 100 kHz (o 1 MHz o cualquier frecuencia arbitrariamente alta). Puede tener una inductancia que sea proporcionalmente más baja por la proporción de las frecuencias, es decir, 50 divididas por 100,000, esto significa que puede tener una inductancia de 5 milenios y aún así funcionar (pero a la velocidad más alta).
Pregúntese, ¿qué transformador es más grande, uno que tiene una inductancia primaria de 10 henrios o uno que tiene una inductancia primaria de 5 mH?
EDITAR - sección sobre transformadores de retorno
Es una mejor noticia para los diseños de modo de conmutador de retorno (como se usa en la mayoría de los convertidores de CA-CC de potencia baja a media): la inductancia primaria se convierte en una "característica" del diseño: se utiliza para almacenar energía durante la mitad del ciclo PWM y luego esa energía se libera en el secundario durante el segundo semiciclo. Si la inductancia primaria es (digamos) 1000 uH y digamos que está "cargada" en 5 us y "liberada" en los siguientes 5 us, la energía por transferencia puede calcularse estimando primero la corriente máxima: -
\ $ \ dfrac {220V \ cdot \ sqrt2 \ times 5 \ times 10 ^ {- 6}} {1000 \ times 10 ^ {- 6}} \ $ = 1.556 A
Entonces esta corriente se convierte en energía = \ $ \ dfrac {L \ cdot I ^ 2} {2} \ $ = 2.42 mJ
Esto se puede convertir en potencia al multiplicar por 100,000 (la frecuencia de conmutación), es decir, 242 vatios. El uso de una topología de retorno le permite utilizar la inductancia primaria y disminuirla más allá de lo que razonablemente podría hacer en una fuente de alimentación lineal. Espero que esto tenga sentido.
Para los propósitos de entender intuitivamente el problema del tamaño, imagine que el transformador es un cubo. Imagina que a la frecuencia dada tomas agua de un pozo y la pones en una piscina.
Diga que necesita suministrar 60 litros por minuto. Si recibe 1 cubo de agua cada 10 segundos, entonces necesita un cubo de 10 litros. Sin embargo, si toma 1 cubo de agua cada 2 segundos, solo necesita un cubo de 2 litros.
Al aumentar la velocidad, se reduce el requisito de tamaño, y como hoy en día es bastante fácil hacer electrónica muy rápida, el tamaño de los transformadores ha disminuido drásticamente.
Tenga en cuenta que esta no es la forma en que realmente funcionan las SMPS, el flyback descrito por "Andy aka" es el más cercano a esto, pero esto debería darle una idea del impacto de la frecuencia.
Toma la primera respuesta. La resistencia es el producto de 2, pi, frecuencia e inductancia. Para obtener el mismo resultado, puede reducir la inductancia (tamaño) al aumentar la frecuencia.
Puede imaginar que el núcleo del transformador está completamente magnetizado por el voltaje de entrada. Esto representa una cierta cantidad de energía. A continuación se proporciona esta energía a la salida. Este ciclo se repite una y otra vez.
Cada ciclo transforma una cantidad máxima de energía, limitada por la cantidad de magnetismo que el núcleo puede "mantener". De ahí que una mayor frecuencia transfiere más potencia.
Si suministra el transformador a una frecuencia más baja, la fem en una vuelta en el primario es menor que una frecuencia más alta, se sigue cuando el transformador se suministra a una frecuencia más baja la corriente de entrada aumentará, por lo que la sección transversal del devanado primario aumentará se puede hacer la misma comparación para el número de giros en el lado secundario, lo que lleva al hecho de que el número de giros aumentará para el transformador con una frecuencia más baja
El análisis de ecuaciones simples resultaría de la siguiente manera:
XL = 2 * pi f L
Esto implica que inductancia y frecuencia tienen una proporción inversa .
En otras palabras, para frecuencias más altas, la inductancia se puede reducir para el mismo valor de impedancia.
Entonces, para una instancia, quiero que mi transformador consuma la corriente mínima, luego seleccionaría la impedancia más alta posible.
Tomemos el mismo ejemplo que proporciona Andy aka .
La corriente consumida por el primario del transformador debe ser inferior a 70 mA
Supongamos que el voltaje es de 220 V a 50 Hz de frecuencia (solo un ejemplo)
Ahora, V = 220V y I = 70mA da, R ~ 3142E.
En nuestro caso R = XL = 3142E.
Cuando f = 50Hz, L ~ 10H
Cuando f = 500Hz, L ~ 1H
.
.
.
Cuando f = 100kHz, L ~ 5mH
Permite ver los diferentes parámetros que afectan a tamaño del Inductor .
No de vueltas (Más vueltas más inductancia)
Área de la bobina (Aumente el área para obtener más inductancia)
Longitud de la bobina (La inductancia aumenta con el aumento de la longitud)
Material de la bobina (Mayor permeabilidad magnética del inductor cuanto más inductancia)
Los parámetros anteriores sugieren que para el mismo material utilizado, el tamaño del Inductor aumentará para un aumento de Inductancia.
Por lo tanto, de todos los análisis anteriores se puede decir que,
Para reducir el tamaño del transformador necesitamos aumentar la frecuencia.
Nota : se requiere moderación. Este es mi análisis y, por lo tanto, debería considerarse solo si hay suficientes expertos que apoyen mi opinión.
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