Cómo seleccionar correctamente un transformador en términos de aumento térmico

Question

Estoy tratando de llegar a una decisión seleccionando un pequeño transformador para una tarea, de una empresa extranjera (que sólo es significativa debido a la barrera del idioma). Pensé que la selección sería fácil sabiendo mis requisitos de tensión 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 a "fuerza bruta" (puente de onda completa y una tapa de filtro), y a partir de ahí se utilizará para operar un relé de 12 voltios, y algunas cargas menos significativas (una MCU, una pantalla LCD y algunos LEds). En el peor de los casos no debería consumir más de 160mA, por lo que he estado mirando algunos transformadores de 300mA. Para minimizar aún más la carga del transformador, estoy seleccionando transformadores cuyo cambio de voltaje de salida, entre "carga completa" y sin carga abarca desde unos 7V hasta unos 10V respectivamente. Convertido a DC, es un rango de unos 10VDC hasta un voltaje teórico (sin carga) de 14V. El consumo principal, el relé, requiere 100mA a su tensión nominal de 12V, y por lo tanto será un poco más bajo cuando el voltaje del transformador cae, y su bobina ve más cerca de 10VDC.

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

Bueno, ahora mi cabeza da vueltas. Había planeado usar el transformador en una caja NEMA para exteriores especificada para ser hermética, por lo que obviamente también es hermética. En el clima en el que pretendo usarlo, no será raro que la temperatura exterior alcance los 34C (alrededor de 90F para referencia). Eso significa que con la carga nominal (300mA), este transformador podría llegar a los 94C. Como el agua hierve a 100C, eso parece demasiado caliente para considerarlo, especialmente sabiendo que la única salida del calor será a través de la caja que he elegido. Aunque algún tipo de plástico, sé que puede "soportar" la temperatura, pero no creo que permita que el calor se escape muy bien. (Preguntaré al fabricante por sus características de conducción térmica, pero no sé si entenderé cómo interpretarlas).

Como estaba mirando transformadores con una corriente máxima de casi 2X lo que preveo 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 concluir simplemente que la mitad de la carga nominal significará automáticamente la mitad del aumento de temperatura.

Así que estoy un poco perdido para lo que pensé que sería una tarea sencilla. Supongo que podría elegir un transformador más grande, pero mi espacio será limitado, y y tengo que confesar que estoy fuera de mi liga ahora entender cómo aproximar esto. El fabricante me pregunta cuál podría ser un aumento "aceptable" de la temperatura, y ofrecerá otros transformadores alternativos. Podría trabajar de esa manera, pero el problema es equiparar el aumento de temperatura en el "aire libre" ambiente con el 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 sólo medir lo que realmente sucede. Pero me gustaría saber cómo enfocar esto más científicamente, y al menos hacer una razonable adivinar.

Answer 1

Hay que entender qué partes de este escenario están bajo el control de quién, y por tanto qué partes especifican tú y el fabricante. Algunas partes son fáciles de calcular, otras pueden requerir mediciones reales.

¿Por qué un transformador debe funcionar en frío? No es una pregunta tonta, necesita una respuesta detallada. (a) Los devanados están aislados y enrollados en algún tipo de molde. Si se calientan demasiado, el aislamiento y el molde se degradan y acaban fallando. Por lo tanto, el transformador tiene una temperatura máxima absoluta de bobinado. (b) Si se monta en una caja de plástico, los soportes deben permanecer por debajo del punto de reblandecimiento del plástico. (c) ¿A qué temperatura se siente cómodo? Si alguna parte de la caja "se siente caliente", puede alarmar al usuario.

El fabricante conoce el límite de (a), tú no sabes qué grado de aislamiento tiene el cable (y hay diferentes grados, según el coste). Si le haces la pregunta precisa, debería poder responder. Es una temperatura absoluta, no un aumento de temperatura.

Puedes determinar el límite de (b), ya sabes lo que has puesto.

Parece que tienes ideas preconcebidas sobre (c), que está más abierto a los sentimientos. Mientras que 60C es demasiado caliente para tocarlo durante más de "unos segundos" con la mano desnuda, considera que los radiadores domésticos están limitados a 82C de temperatura superficial para evitar causar daños con un "toque momentáneo". 100C no es necesariamente demasiado caliente para la electrónica, depende de su especificación. Nosotros trabajamos con un límite absoluto de temperatura externa de 75C, con una pegatina de advertencia si supera los 50C, pero permitimos que las temperaturas internas y de unión se acerquen a las especificaciones, a veces 150C.

El fabricante especifica el aumento de temperatura de su transformador con una carga determinada. La carga es fácil de cuantificar y comunicar al usuario, y por eso se elige. No sabe cuál será tu ambiente local.

El aumento de temperatura consta de dos componentes, las pérdidas de hierro y las pérdidas de cobre. Las pérdidas en el hierro dependen (casi totalmente) de la tensión 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 a plena carga. Si el transformador funciona a media carga, sólo se calentará el 25% del cobre a plena carga y el hierro no se calentará. Si el transformador está pensado para ser "bueno" cuando funciona sin carga, a menudo se habrá diseñado para tener pérdidas de hierro mucho menores que las de cobre (tenga en cuenta que esto no es óptimo para obtener la mejor eficiencia con carga).

Es posible estimar bastante bien la temperatura del devanado de un transformador. Mida la resistencia del devanado a temperatura ambiente. Haz funcionar el transformador hasta que la temperatura se estabilice y vuelve a medirla. El tempco del cobre es de aproximadamente 0,4% por grado C, lo que significa un aumento del 10% de la resistencia por cada 25C de aumento de temperatura.

Considere una solución SMPS, más pequeña y más fría que una solución de transformador de hierro anticuada.