Cómo seleccionar correctamente un transformador en términos de aumento térmico

Estoy tratando de tomar una decisión seleccionando un pequeño transformador para una tarea, de una empresa extranjera (que solo es importante debido a la barrera del idioma). Pensé que la selección sería fácil sabiendo mis requisitos de voltaje y carga, pero las especificaciones de aumento de temperatura del transformador me están causando confusión y quiero hacer una elección razonable.

El transformador en cuestión será rectificado y filtrado por "fuerza bruta" (puente de onda completa y tapa de filtro), y desde allí se utilizará para operar un relé de 12 voltios, y algunas cargas menos significativas (una MCU, una pantalla LCD y algunas LED). En el peor de los casos, el consumo no debería ser superior a 160 mA, por lo que he estado mirando algunos transformadores de 300 mA. Para minimizar aún más la carga del transformador, estoy seleccionando transformadores cuyo voltaje de salida cambia, entre "carga completa" y sin carga, desde aproximadamente 7 V hasta aproximadamente 10 V, respectivamente. Convertido a CC, es un rango de alrededor de 10 V CC hasta un voltaje teórico (sin carga) de 14 V. El sorteo principal, el relé, requiere 100 mA a su voltaje nominal de 12 V y, por lo tanto, será un poco más bajo cuando el voltaje del transformador caiga y su bobina se acerque a 10 V CC.

Es de esperar que sea obvio por la clasificación de 300 mA que estoy buscando transformadores pequeños. Pero lo que me arrojó una curva en todos los modelos, formas y tamaños ofrecidos en este rango de voltaje / corriente fue el "aumento de temperatura". El transformador está especificado para aumentar un máximo de 60 K (lo que me explicaron simplemente significaba 60 C) por encima del ambiente.

Bueno, ahora mi cabeza da vueltas. Había planeado usar el transformador en un gabinete NEMA para exteriores especificado para ser hermético, por lo que obviamente también es hermético. En el clima en el que tengo la intención de usar esto, no será raro que la temperatura exterior alcance los 34 ° C (alrededor de 90 ° F como referencia). Eso significa que a carga nominal (300 mA), este transformador podría llegar a 94C. Como el agua hierve a 100 °C, parece demasiado caliente para siquiera considerarlo, especialmente sabiendo que el único escape que tendrá el calor será a través de mi recinto elegido. Aunque es algún tipo de plástico, sé que puede "tomar" la temperatura, pero no creo que permita que el calor se escape muy bien. (Le preguntaré al fabricante por sus características de conducción térmica, pero no estoy seguro de entender cómo interpretarlas).

Mientras miraba transformadores con una corriente máxima de casi 2 veces lo que anticipo usar, en el peor de los casos, estoy seguro de que el calentamiento no será tan malo como su máximo. Pero no creo que pueda simplemente concluir que la mitad de la carga nominal significará automáticamente la mitad del aumento de temperatura.

Así que estoy un poco perdido por lo que pensé que habría sido una tarea simple. Supongo que podría elegir un transformador más grande, pero mi espacio será limitado, y tengo que confesar que estoy fuera de mi alcance ahora entendiendo cómo aproximarme a esto. El fabricante me pregunta qué podría ser un aumento de temperatura "aceptable" y ofrecerá otros transformadores alternativos. Podría manejar el trabajo de esa manera, pero el problema es equiparar el aumento de temperatura en el "aire libre" ambiental con un aumento de temperatura realista dentro de un recinto sellado. Parece que hay tantos factores aquí que estoy listo para tomar mi mejor suposición, obtener algunas muestras y hacer algunas pruebas reales y simplemente medir lo que realmente sucede. Pero desearía saber cómo abordar esto de manera más científica y al menos hacer una conjetura razonable .

Solo para hacer que su cabeza se rompa un poco más (siempre es una alegría, no es necesario que me lo agradezca), encerrar el transformador en una caja sellada casi con certeza violará las condiciones bajo las cuales reclaman un 60 ∘ C elevar. Creo que la suposición para esa especificación sería que el transformador está "al aire libre y sin obstrucciones", donde el aire caliente puede subir y el aire más frío fluir hacia adentro y alrededor del transformador en un proceso de flujo convectivo "normal". Su caja sellada no será nada como esa situación.
Comience por encontrar la pérdida sin carga (hierro) en vatios. Calcule la pérdida de cobre a plena carga como 3 V * 0,3 A. Esto le permitirá estimar la pérdida total con corriente reducida. Puede suponer que el aumento de temperatura es proporcional a la potencia de calefacción. Más malas noticias son que una carcasa de plástico negro que se deja al sol puede alcanzar los 60 °C antes de que se considere el autocalentamiento, por lo que no tiene mucho espacio antes de que se sobrecaliente.
Su contenedor hermético también debe ser de aluminio y neopreno con junta tórica para conducir el calor como si estuviera abierto al aire y las cargas de la tapa del puente tienen aproximadamente un 30 % más de pérdida debido al 10 a 20 % de los picos de pulso de ondulación que son de 10 a 5 veces la corriente de carga y el cuadrado Ley de pérdidas I^2R=Pd. Así que mejor considere una solución fría más efectiva como un SMPS de ferrita. Similares a las que se utilizan en el interior de las bombillas LED
Randy, no puedo decir si encajaría exactamente con tus necesidades, pero busca el PM12 en eBay. Estos son 12 V , 3 W ladrillos de suministro de energía. Entrada de CA, salida de CC. Sellado. Muy fácil de usar. Barato para comprar. Tengo una caja llena de ellos (más una serie de otros valores de salida). Entrada de 100-240 VCA.
¿Alguna razón para no ir a SMPS?
@tomnexus ¡Eso es muy útil, gracias! Si el aumento de temperatura es una proporción directa de la potencia, compensada por el calentamiento sin carga, al menos puedo estimar (lo que esperaba), según la carga nominal de i/2. En cuanto a los recintos, son bastante blancos por esa misma razón.
@TonyStewartolderthandirt: me temo que el recinto ya está algo dictado y tiene que ser de plástico. Un buen plástico resistente al fuego con clasificación NEMA, pero no metal.
Me temo que la vida útil se reducirá un 50 % cada 10 °C (=10 °K) por encima de la temperatura ambiente. Así que mejor mira el diseño que sugerí. Con SMPS <2$ en volumen
@jonk & winny Es posible que tenga que rediseñar para usar algo como el PM12 (si puedo encontrar una versión de 120 VCA) o un SMPS. Las razones originales para usar un suministro de transformador anticuado llenarían otra página, pero nunca nada está escrito en piedra.
@Randy El PM12 acepta cualquier cosa, desde 100 VCA hasta 240 VCA como entrada. Por lo tanto, se admiten 120 VCA. (Si necesita más potencia, busque el HLK-5M12). También me encantan los transformadores antiguos. Es con lo que crecí. Es lo que aprendí, una y otra vez, a aplicar bien. Es lo que entiendo bien. Pero estos días son grandes y pesados ​​trozos de hierro. 50-60 Hz solo tiene un requisito "Weber" muy alto. Y eso simplemente requiere mucho volumen.
@jonk Si me cambiara a un convertidor de dinero, ¿no estaría sacrificando el aislamiento de la entrada de CA? De acuerdo, sería neutral y no el lado "caliente" que permanecería acoplado, pero estaría perdiendo el aislamiento de un transformador. ¿A menos que sea realmente un SMPS completo con aislamiento total?
@Randy Está completamente aislado. Estoy casi seguro de que hay un transformador adentro y también optoaislamiento. Pero aquí está la hoja de datos .
@Randy Size mide 34 mm x 20 mm x 15 mm. Solo para que tengas una idea del volumen de la unidad. (Utilicé un micrómetro en un módulo que tengo a mano).
@jonk Creo que probaré algunos de estos, ya que mis necesidades de energía son muy bajas. ebay.com/itm/… (Quería escribirte en privado para explicarte la historia de fondo de todo esto, pero no veo un enlace para enviarte un mensaje en tu perfil. Tal vez simplemente no sé cómo hacerlo.
@Randy No hay forma permitida. Creo que es un diseño cuidadosamente elaborado y no un accidente. Puede encontrarme buscando mi dirección de correo electrónico en la parte inferior de esta página web pública .

Respuestas (1)

Debe comprender qué partes de este escenario están bajo el control de quién y, por lo tanto, qué partes especifican usted y el fabricante. Algunos bits son fáciles de hacer con el cálculo, algunos pueden requerir una medición real.

¿Por qué un transformador debe funcionar frío? No es una pregunta tonta, necesita una respuesta detallada. (a) Los devanados están aislados y enrollados en algún tipo de formador. Si se calientan demasiado, el aislamiento y el anterior se degradan, provocando una eventual falla. Por lo tanto, el transformador tiene una clasificación de temperatura de devanado máxima absoluta. (b) Si se monta en una caja de plástico, los montajes deben permanecer por debajo del punto de ablandamiento del plástico. (c) ¿Con qué calor te sientes cómodo? Si alguna parte de la caja 'se siente caliente', puede alarmar al usuario.

El fabricante conoce el límite para (a), usted no sabe qué grado de aislamiento tiene el cable (y hay diferentes grados, según el costo). Si le haces la pregunta precisa, debería ser capaz de responder. Es una temperatura absoluta, no un aumento de temperatura.

Puede determinar el límite para (b), sabe en qué lo ha puesto.

Parece que tiene ideas preconcebidas sobre (c) que está más abierto al sentimiento. Si bien 60 °C es demasiado caliente para tocarlo durante más de 'unos segundos' con las manos desnudas, tenga en cuenta que los radiadores domésticos están limitados a una temperatura superficial de 82 °C para evitar causar daños con un 'toque momentáneo'. 100C no es necesariamente demasiado caliente para la electrónica, depende de su especificación. Trabajamos con un límite de temperatura externa absoluta de 75 °C, con una etiqueta de advertencia si estaba por encima de los 50 °C, pero permitiríamos que las temperaturas internas y de unión se acerquen a las especificaciones, a veces a 150 °C.

El fabricante especifica el aumento de temperatura de su transformador con una determinada carga. La carga es fácil de cuantificar y comunicarse con el usuario, razón por la cual se elige. Él no sabe cuál será su ambiente local.

El aumento de temperatura consta de dos componentes, pérdidas de hierro y pérdidas de cobre. Las pérdidas de hierro dependen (casi por completo) del voltaje de entrada y son independientes de la carga. Las pérdidas en el cobre dependen del cuadrado de la corriente de salida. Esto significa que se necesitan dos mediciones para predecir cómo variará el aumento de temperatura con la carga, una medición sin carga y una medición con carga completa. El funcionamiento a media carga dará como resultado solo el 25 % del calentamiento de cobre a plena carga, sin cambios en el calentamiento del hierro. Si el transformador está destinado a ser 'bueno' cuando funciona sin carga, a menudo habrá sido diseñado para tener pérdidas de hierro mucho menores que las pérdidas de cobre (tenga en cuenta que esto no es óptimo para una mejor eficiencia con carga).

Es posible estimar bastante bien la temperatura del devanado de un transformador. Mida la resistencia del devanado a temperatura ambiente. Haga funcionar el transformador hasta que la temperatura se haya estabilizado, luego mida nuevamente. El tempco del cobre es de aproximadamente 0,4% por grado C, lo que significa un aumento del 10% en la resistencia por cada aumento de temperatura de 25C.

Considere una solución SMPS, más pequeña y más fresca que una solución de transformador de hierro tradicional.

Gracias, y muy útil de hecho. Estás señalando que las pérdidas de cobre se basan en I al cuadrado también es reconfortante. El punto (c) es de hecho un factor, especialmente considerando que la especificación de 60C significa 60+ ambiente, lo que en mi caso podría significar 94C en total. Incluso si la electrónica es buena para ello, también existe la percepción del cliente si el dispositivo parece calentarse al tacto. Hay varias razones por las que no usé un SMPS para este proyecto que no abordaré aquí, pero nada está escrito en piedra.
@Randy Más correctamente, la pérdida de cobre se basa en la corriente RMS. Con un rectificador+capacitor, esto significa que los picos de conducción se suman de manera desproporcionada a la disipación del transformador. Puede recortar el aumento de temperatura minimizando los picos, lo que significa minimizar la C después de los rectificadores. Puede usar una C pequeña solo para el control de baja corriente y conducir su relé desde energía rectificada sin filtrar . El relé sería igual de feliz, y el consumo de corriente rms del transformador sería menor, lo que puede ahorrarle algunos grados de aumento de temperatura.
¡Idea increíble! ¡Tendré que hacer una prueba de banco para asegurarme de que el relé sea tan feliz como esperamos! Parte de mi razonamiento al elegir un transformador cuyo voltaje caería significativamente bajo carga fue porque sé que el voltaje de caída del relé será mucho más bajo que el arranque. Por lo tanto, es posible que ya esté impulsando esta teoría, porque esos picos disminuirán incluso más rápido que el voltaje del capacitor almacenado, y esto puede resultar en una captación poco confiable. ¿Por qué la ingeniería siempre se trata de dividir los pelos? ;-)
Cómo seleccionar correctamente un transformador en términos de aumento térmico
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v