После этих размышлений я пришел к выводу, что первая тема должна быть именно про трансформатор и ни о чем другом! Хотелось бы еще оговориться: что я подразумеваю под понятием «мощный ИИП» - это мощности от 1 кВт и выше или в случае любителей хотя бы 500 Вт.
Рисунок 1 - Вот такой трансформатор на 2 кВт для Н-моста у нас получится в итоге
Великая битва или какой материал выбрать?
Когда-то внедрив в свой арсенал импульсную технику думал, что трансформаторы можно делать только на доступном всем феррите. Собрав первые конструкции первым делом решил выставить их на суд более опытных товарище и очень часто слышал такую фразу: «Ваш феррит гавно не самый лучший материал для импульсника» . Сразу я решил узнать у них какую же альтернативу можно ему противоспоставить и мне сказали - альсифер или как его еще называют синдаст.Чем же он так хорош и действительно ли лучше феррита?
Для начала надо определиться что должен уметь почти идеальный материал для трансформатора:
1) должен быть магнитомягким
, то есть легко намагничиваться и размагничиваться:
Рисунок 2 - Гистерезисные циклы ферромагнетиков: 1) жесткий цикл, 2) мягкий цикл
2) материал должен обладать как можно большей индукцией насыщения, что позволит либо уменьшить габариты сердечника, либо при их сохранение повысить мощность.
Насыщение
Явление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется.
В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.
3) материал должен иметь как можно меньшие потери на перемагничивание и токи Фуко
4) свойства материала не должны сильно изменяться при внешнем воздействии: механические усилия (сжатие или растяжение), изменение температуры и влажности.Теперь рассмотрим свойства феррита и насколько он соответствует предъявленным выше требованиям.
Феррит - является полупроводником, а значит обладает собственным высоким электрическим сопротивлением. Это означает, что на высоких частотах потери на вихревые токи (токи Фуко
) будут достаточно низкими. Получается как минимум одно условия из списка выше у нас уже выполнено. Идем дальше…
Ферриты бывают термостабильными и не стабильными, но этот параметр не является определяющим для ИИП. Важно то, что ферриты работают стабильно в температурном диапазоне от -60 и до +100 о С и это у самый простых и дешевых марок.
Рисунок 3 - Кривая намагничивания на частоте 20 кГц при разных температурах
И наконец-то самый главный пункт - на графике выше мы увидели параметр, который будет определять практически все - индукция насыщения . Для феррита она обычно принимается 0,39 Тл. Стоит запомнить, что при разных условиях - этот параметр будет меняться. Он зависит как от частоты, так и от температуры работы и от других параметров, но особый акцент стоит сделать на первых двух.
Вывод: феррит ништяк! отлично подходит для наших задач.
Несколько слов об альсифере и чем он отличается
1) альсифер работает в чуть большем широком спектре температур: от -60 и до +120 о С - подходит? Еще лучше чем феррит!
2) коэффициент потерь на гистерезис у альсиферов постоянный лишь в слабых полях (при малой мощности), в мощном поле они растут и очень сильно - это очень серьезный минус, особенно на мощностях более 2 кВт, так что тут проигрывает.
3) индукция насыщения до 1,2 Тл!
, в 4 раза больше чем у феррита! - главный параметр и так обгоняет, но не все так просто… Конечно это достоинство никуда не уйдет, но пункт 2 ослабляет его и очень сильно - определенно плюс.
Вывод: альсифер лучше чем феррит, в этом дядьке мне не соврали.
Результат битвы:
любой прочитав описание выше скажет альсифер нам подавай! И правильно… но попробуйте найти сердечник из альсифера и чтобы с габаритной мощностью 10 кВт? Тут обычно человек приходит в тупик, оказывается их и нету особо в продаже, а если и есть, то на заказ напрямую у производителя и цена вас испугает.
Получается используем феррит, тем более если оценивать в целом, то он проигрывает очень незначительно… феррит оценивается относительно альсифера в «8 из 10 попугаев».
Хотел я обратиться к своему любимому матану, но решил этого не делать, т.к. +10 000 знаков к статье считаю избыточным. Могу лишь посоветовать книгу с очень хорошими расчетами авторства Б. Семенова «Силовая электроника: от простому к сложному». Смысла пересказывать его выкладки с некими добавлениями смысла не вижу
Итак, приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора
Первым делом хочется сразу вспомнить очень серьезный момент - зазор в сердечнике. Он может «убить» всю мощность или добавить еще так на 30-40%. Хочу напомнить, что делаем мы трансформатор для Н-моста , а он относится к - прямоходовым преобразователям (forward по-буржуйский). Это значит, что зазор в идеале должен быть 0 мм.Как-то раз, обучаясь курсе на 2-3 решил собрать сварочный инвертор, обратился к топологии инверторов Kemppi. Там я увидел в трансформаторах зазор 0,15 мм. Стало интересно для чего же он. Подходить к преподавателям не стал, а взял и позвонил в российское представительство Kemppi! А что терять? На моей удивление меня соединили с инженером-схемотехником и он рассказал мне несколько теоретических моментов, которые позволили мне «выползти» за потолок в 1 кВт.
Если в кратце - зазор в 0,1-0,2 мм просто необходим! Это увеличивает скорость размагничивания сердечника, что позволяет прокачать через трансформатор большую мощность. Максимальный эффект от такого финта ушами зазора достиг в топологии «косой мост» , там введение зазор 0,15 мм дает прирост 100%! В нашем Н-мосту эта прибавка скромнее, но 40-60% думаю тоже не дурно.
Для изготовления трансформатора нам понадобится вот такой набор:
А) 
Рисунок 4 - Ферритовый сердечник Е70/33/32 из материала 3С90 (чуть лучший аналог N87)
Б) 
Рисукок 5 - Каркас для сердечника Е70/33/32 (тот что больше) и дроссель D46 из распыленного железа
Габаритная мощность такого трансформатора составляет 7,2 кВт. Такой запас нам нужен для обеспечения пусковых токов в 6-7 раз больше номинальных (600% по ТЗ). Такие пусковые токи правда бывают лишь у асинхронных двигателей, но учесть необходимо все!
Неожиданно «всплыл» некий дроссель, он понадобится в нашей дальнейшей схеме (аж 5 штук) и поэтому решил показать как и его наматывать.
Далее необходимо посчитать параметры намотки. Я использую программу от известного в определенных кругах товарища Starichok51 . Человек с огромными знаниями и всегда готовый учить и помогать, за что ему спасибо - в своей время помог встать на путь истинный. Называется программа - ExcellentIT 8.1 .
Привожу пример расчета на 2 кВт:
Рисунок 6 - Расчет импульсного трансформатора по мостовой схеме на 2 кВт повышающий
Как производить расчет:
1) Выделено красным. Это вводные параметры, которые обычно выставляются по умолчанию:а) максимальная индукция. Помните для феррита она 0,39 Тл, но у нас трансформатор работает на достаточно высокой частоте, поэтому программа выставляет 0,186 сама. Это индукция насыщения в саааамых плохих условиях, включая нагрев до 125 градусов
б) частота преобразования, она задается нами и чем она определяется на схеме будет в следующих статьях. Частота эта должна быть от 20 до 120 кГц. Если меньше - мы будет слышать работу транса и свист, если выше , то наши ключи (транзисторы) будут иметь большие динамические потери. А IGBT ключи даже дорогие работают до 150 кГц
в) коэф. заполнения окна - важный параметр, ибо место на каркасе и сердечнике ограничено, не стоит его делать больше 0,35 иначе обмотки не влезут
г) плотность тока - этот параметр может быть до 10 А/мм 2 . Это максимальный ток, который может протекать через проводник. Оптимальное значение 5-6 А/мм 2 - в условиях жесткой эксплуатации: плохое охлаждение, постоянная работа на предельной нагрузке и прочее. 8-10 А/мм 2 - можно ставить если у вас устройство идеально вентилируется и стоит over 9000 несколько куллеров.
д) питание на входе. Т.к. мы рассчитываем трансформатор для DC->DC 48В в 400В, то ставим входное напряжение как в расчете. Откуда цифра взялась. В разряженном состоянии аккумулятор отдает 10.5В, дальше разряжать - снижать срок службы, умножаем на количество батарей (4 шт) и получаем 42В. Возьмем с запасом 40В. 48В берется из произведения 12В * 4 шт. 58В берется из соображения, что в заряженном состоянии батарея имеет напряжение 14,2-14,4В и по аналогии умножаем на 4.
2) Выделено синим.
а) ставим 400В, т.к. это запас для обратной связи по напряжению и для нарезки синуса необходимо минимум 342В
б) номинальный ток. Выбираем из соображения 2400 Вт / 220(230) В = 12А. Как видите везде я беру запас не менее 20%. Так поступает любой уважающий себя производитель качественной техники. В СССР такой запас был эталонный 25% даже для самых сложных условий. Почему 220(230)В - это напряжение на выходе уже чистого синуса.
в) минимальный ток. Выбирается из реальных условий, этот параметр влияет на размер выходного дросселя, поэтому чем больше минимальный ток, тем меньше дроссель, а значит и дешевле устройство. Я опять же выбрал худший вариант 1А, это ток на 2-3 лампочки или 3-4 роутеров.
г) падение на диодах. Т.к. у нас на выходе будут диоды быстродействующие (ultra-fast), то падение на них 0.6В в худших условиях (превышена температура).
д) диаметр провода. У меня некогда купленная катушка меди 20 кг на такой случай и как раз с диаметром 1 мм. Тут ставим тот, который у вас есть. Только более 1,18 мм ставить не советую, т.к. начнет сказываться скин-эффект
Скин-эффект
Скин-эффект - эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Если говорить не как гугл, а моим колхозным языком, то если взять проводник большого сечения, то он не будет использоваться полностью, т.к. токи на большей частоте протекают по поверхности, а центр проводника будет «пустой»
3) Выделено зеленым. Тут все просто - топология у нас планируется «полный мост» и выбираем ее.
4) Выделено оранжевым. Происходит процесс выбора сердечника, все интуитивно понятно. Большое количество стандартных сердечников уже есть в библиотеки, как и наш, но если что можно и добавить путем ввода габаритов.
5) Выделено фиолетовым. Выходные параметры с расчетами. Отдельным окном выделил коэф. заполнения окна, помните - не более 0,35, а лучше не более 0,3. Так же даны все необходимые значения: количество витков для первичной и вторичной обмотки, количество проводов ранее заданного диаметра в «косе» для намотки.
Так же даны параметры для дальнейшего расчета выходного дросселя: индуктивность и пульсации напряжения.
Теперь необходимо рассчитать выходной дроссель. Нужен он чтобы сгладить пульсации, а так же чтобы создать «равномерный» ток. Расчет проводится в программе того же автора и называется она DrosselRing 5.0
. Расчет для нашего трансформатора приведу:
Рисунок 7 - Расчет выходного дросселя для повышающего DC-DC преобразователя
В данном расчете все проще и понятнее, работает по тому же принципу, выходные данные: количество витков и количество проводов в косе.
Стадии изготовления
Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора и дросселя.Главное правило намотки импульсного трансформатора - все без исключения обмотки должны быть намотаны в одну сторону!
Стадия 1:
Рисунок 8 - Процесс намотки вторичной (высоковольтной) обмотки
Мотаем на каркас необходимое число витков в 2 провода диаметром 1 мм. Запоминаем направление намотки, а лучше отмечаем маркером на каркасе.
Стадия 2:
Рисунок 9 - Изолируем вторичную обмотку
Изолируем вторичную обмотку фторопластовой лентой толщиной 1 мм, такая изоляция выдерживает не менее 1000 В. Так же дополнительно пропитываем лаком, это еще +600В к изоляции. Если нету фторопластовой ленты, то изолируем обычным сантехническим фумом в 4-6 слоев. Это тот же фторопласт, только 150-200 мкм толщиной.
Стадия 3:
Рисунок 10 - Начинаем мотать первичную обмотку, распаиваем провода на каркас
Намотку проводим в одну сторону со вторичной обмоткой!
Стадия 4:
Рисунок 11 - Выводим хвост первичной обмотки
Доматывает обмотку, изолируем ее так же фторопластовой лентой. Желательно еще и пропитать лаком.
Стадия 5:
Рисунок 12 - Пропитываем лаком и распаиваем «хвост». Намотка обмоток окончена
Стадия 6:
Рисунок 13 - Завершаем намотку и изоляцию трансформатора киперной лентой с окончательной пропиткой в лаке
Киперная лента
Киперная лента - хлопчатобумажная (реже шёлковая или полушелковая) тесьма из киперной ткани шириной от 8 до 50 мм, саржевого или диагонального переплетения; суровая, отбельная или гладкокрашеная. Материал ленты отличается высокой плотностью за счет переплетения, он толще, чем у своего ближайшего аналога - миткалевой ленты - из-за использования более толстых нитей.
Спасибо википедии.
Стадия 7:
Рисунок 14 - Так выглядит законченный вариант трансформатора
Зазор 0,15 мм устанавливается в процессе склеивания, путем вкладывания между половинками сердечника подходящей пленки. Лучший вариант - пленка для печати. Сердечник склеивается клеем моментом (хорошим) или эпоксидной смолой. 1-й вариант на века, 2-й позволяет в случае чего разобрать трансформатор без повреждений, например, если понадобится домотать еще обмотку или добавить витков.
Намотка дросселя
Теперь по аналогии необходимо намотать дроссель, конечно мотать на тороидальном сердечнике сложнее, но такой вариант будет компактнее. Все данные у нас имеются из программы, материал сердечника распыленное железо или пермаллой. Индукция насыщения у данного материала 0,55 Тл.
Стадия 1:
Рисунок 15 - Обматываем кольцо фторопластовой лентой
Эта операция позволяет избежать случая с пробоем обмотки на сердечник, это бывает редко, но мы же за качество и делаем для себя!
Стадия 2:
Рисунок 16 - Наматываем нужное количество витков и изолируем
В данном случае количество витков не уместится в один слой намотки, поэтому необходимо после намотки первого слоя произолировать и намотать второй слой с последующей изоляцией.
ИИП
Добавить метки
Импульсные трансформаторы (ИТ) являются востребованным прибором в хозяйственной деятельности. Часто устанавливают в блоки питания бытовой, компьютерной, специальной техники. Импульсный трансформатор своими руками создают мастера с минимальным опытом работы в области радиотехники. Что это за устройство, а также принцип работы будут рассмотрены далее.
Область применения
Задача импульсного трансформатора заключается в защите электрического прибора от короткого замыкания, чрезмерного увеличения значения напряжения, нагрева корпуса. Стабильность блоков питания обеспечена импульсными трансформаторами. Подобные схемы применяются в триодных генераторах, магнетронах. Импульсник применяется при работе инвертора, газового лазера. Данные приборы устанавливают в схемах в качестве дифференцирующего трансформатора.
Радиоэлектронная аппаратура основана на трансформаторной способности импульсных преобразователей. При использовании импульсного блока питания организовывается работа цветного телевизора, обычного компьютерного монитора и т. д. Помимо обеспечения потребителя током требуемой мощности и частоты, трансформатором выполняется стабилизация значения напряжения при работе оборудования.
Видео: Как работает импульсный трансформатор?
Требования к приборам
Преобразователи в блоках питания обладают рядом характеристик. Это функциональные устройства, имеющие определенную габаритную мощность. Они обеспечивают правильное функционирование элементов в схеме.
Импульсный бытовой трансформатор обладает надежностью и высоким перегрузочным порогом. Преобразователь отличается стойкостью к механическим, климатическим воздействиям. Поэтому схема импульсного блока питания телевизоров, компьютеров, планшетов. отличается повышенной электрической устойчивостью.
Приборы обладают небольшой габаритной характеристикой. Стоимость представленных агрегатов зависит от области применения, трудозатрат на изготовление. Отличие представленных трансформаторов от иных подобных приборов заключается в их высокой надежности.
Принцип работы
Рассматривая, как работает агрегат представленного типа, нужно понять отличия между обычными силовыми установками и устройствами ИТ. Намотка трансформатора имеет разную конфигурацию. Это две катушки, связанные магнитоприводом. В зависимости от количества витков первичной и вторичной намотки, на выходе создается электричество с заданной мощностью. Например, в трансформаторе преобразовывается напряжение 12 в 220 В.
На первичный контур подаются однополярные импульсы. Сердечник остается в состоянии постоянного намагничивания. На первичной намотке определяются импульсные сигналы прямоугольной формы. Интервал между ними во времени короткий. При этом появляются перепады индуктивности. Они отражаются импульсами на вторичной катушке. Эта особенность является основой принципов функционирования подобного оборудования.
Разновидности
Выделяют разные типы импульсной схемы силового оборудования. Агрегаты отличаются в первую очередь формой конструкции. От этого зависят эксплуатационные характеристики. По виду обмотки различают агрегаты:
Поперечное сечение сердечника бывает прямоугольное, круглое. Маркировка обязательно содержит информацию об этом факте. Также различают тип обмоток. Катушки бывают:
- Спиральные.
- Цилиндрические.
- Конические.
В первом случае индуктивность рассеивания будет минимальной. Представленный тип преобразователя применяется для автотрансформаторов. Намотка при этом выполняется из фольги или тенты из специального материала.
Цилиндрический тип обмотки характеризуется низким показателем рассеивания индуктивности. Это простая, технологичная конструкция.
Конические разновидности значительно уменьшают рассеивание индуктивности. Емкость обмоток при этом мало увеличивается. Изоляция между двумя слоями обмоток пропорциональна напряжению между первичными витками. Толщина контуров увеличивается от начала к концу.
Представленное оборудование отличается различными эксплуатационными характеристиками. В их число входят габаритная мощность, напряжение на первичной, вторичной обмотке, масса и размер. При указании маркировки учитываются перечисленные характеристики.
Преимущества
Блоки питания с импульсным устройством обладают массой достоинств перед аналоговыми приборами. Именно по этой причине их подавляющее большинство изготавливается по представленной схеме.
Трансформаторы импульсного типа отличаются следующими преимуществами:
- Малый вес.
- Низкая цена.
- Повышенный уровень КПД.
- Расширенный диапазон напряжения.
- Возможность встроить защиту.
Меньшим весом конструкция обладает из-за увеличения частоты сигнала. Конденсаторы уменьшаются в объеме. Схема их выпрямления наиболее простая.
Сравнивая обычные и импульсные блоки питания, видно, что в последних потери энергии сокращаются. Они наблюдаются при переходных процессах. КПД при этом может составлять 90-98%.
Меньшие габариты агрегатов позволяют снизить затраты на производство. Материалоемкость конечного продукта значительно уменьшается. Запитывать представленные аппараты можно от тока с различными характеристиками. Цифровые технологии, которые применяются при создании малогабаритных моделей, позволяют применять в конструкции специальные защитные блоки. Они предотвращают появление короткого замыкания, прочие аварийные ситуации.
Единственным недостатком импульсных разновидностей устройств является появление высокочастотных помех. Их приходится подавлять различными методами. Поэтому в некоторых разновидностях точных цифровых приборов подобные схемы не используются.
Разновидности материалов
Представленное оборудование изготавливается из различных материалов. Создавая блоки питания представленного типа, потребуется рассмотреть все возможные варианты. Применяются следующие материалы:
- Электротехническая сталь.
- Пермаллой.
- Феррит.
Одним из лучших вариантов является альсифер. Однако его практически не найти в свободной продаже. Поэтому, желая создать оборудование самостоятельно, его не рассматривают в качестве возможного варианта.
Чаще всего для создания сердечника применяется электротехническая сталь марок 3421-3425, 3405-3408. Магнитно-мягкими характеристиками известен пермаллой. Это сплав, который состоит из никеля и железа. Его легируют в процессе обработки.
Для импульсов, интервал которых находится в пределах наносекунды, используется феррит. Этот материал имеет высокое удельное сопротивление.
Расчет
Чтобы создать и намотать трансформаторные контуры самостоятельно, потребуется произвести расчет импульсного трансформатора. Применяется специальная методика. Сначала определяют ряд исходных характеристик оборудования.
Например, на первичной обмотке установлено напряжение 300 В. Частота преобразования равняется 25 кГц. Сердечник выполнен из ферритового кольца типоразмером 31 (40х25х11). Сначала потребуется определить площадь сердечника в поперечном сечении:
П = (40-25)/2*11 = 82,5 мм².
На основе полученных данных можно найти диаметр сечения провода, который потребуется для создания контуров:
Д = 78/181 = 0,43 мм.
Площадь сечения в этом случае равняется 0,12 м². Максимально допустимый ток на первичной катушке при таких параметрах не должен превышать 0,6 А. Габаритную мощность можно определить по следующей формуле:
ГМ = 300 * 0,6 = 180 Вт.
На основе полученных показателей можно самостоятельно рассчитать параметры всех составляющих будущего прибора. Создать трансформатор этого типа станет увлекательным занятием для радиолюбителя.
Подобный аппарат является надежным и качественным при правильной последовательности всех действий. Расчет проводится для каждой схемы индивидуально. При изготовлении подобного оборудования вторичная обмотка должна замыкаться на нагрузку потребителя. В противном случае прибор не будет считаться безопасным.
От типа сборки, материалов и прочих параметров зависит работа трансформатора. Качество схемы напрямую зависит от импульсного блока. Поэтом расчетам, выбору материалов уделяется высокое значение.
Интересное видео: Импульсный трансформатор своими руками
Рассмотрев особенности импульсных трансформаторов, можно понять их важность для многих радиоэлектронных схем. Создать подобное устройство самостоятельно можно только после соответствующего расчета.
Здравствуйте уважаемые коллеги!!
Как построить импульсный трансформатор на ферритовом кольце я уже рассказывал в своих уроках . Теперь расскажу как я изготавливаю трансформатор на Ш — образном ферритовом сердечнике. Использую я для этого подходящие по размеру ферриты от старого «советского»оборудования, старых компьютеров, от телевизоров и другой электротехнической аппаратуры, которое у меня в углу валяется «до востребования».
Для ИБП по схеме двухтактного полумостового генератора, напряжение на первичной обмотке трансформатора, согласно схемы составляет 150 вольт, под нагрузкой примем 145 вольт. Вторичная обмотка выполнена по схеме двухполупериодного выпрямления со средней точкой.
Смотреть схему .
Приведу примеры расчета и изготовления трансформаторов для ИБП небольшой мощности 20 — 50 ватт для этой схемы. Трансформаторы такой мощности я применяю в импульсных блоках питания для своих светильников на светодиодах. Схема трансформатора ниже. Необходимо обратить внимание, чтобы сложенный из двух половинок, Ш — сердечник не имел зазора. Магнитопровод с зазором используется только в однотактных ИБП.
Вот два примера расчета типичного трансформатора для различных нужд. В принципе, все трансформаторы на разные мощности имеют одинаковый способ расчета, почти одинаковые диаметры провода и одинаковые способы намотки. Если вам нужен трансформатор для ИБП мощностью до 30 ватт, то это первый пример расчета. Если нужен ИБП мощностью до 60 ватт, то второй пример.
Первый пример
.
Выберем из ферритовых сердечников №17, Ш — образный сердечник Ш7,5×7,5. Площадь сечения среднего стержня Sк = 56 мм.кв. = 0,56 см.кв.
Окно Sо = 150 мм.кв. Расчетная мощность 200 ватт.
Количество витков на 1 вольт у этого сердечника будет: n = 0,7/Sк = 0,7 / 0,56 = 1,25 витка.
Количество витков в первичной обмотке трансформатора будет: w1 = n х 145 = 1,25 х 145 = 181,25. Примем 182 витка.
При выборе толщины провода для обмоток, я исходил из таблицы « ».
В своем трансформаторе я применил, в первичной обмотке, провод диаметром 0,43 мм. (провод большим диаметром не умещается в окне). Он имеет площадь сечения S = 0.145 мм.кв. Допустимый ток (смотреть в таблице) I = 0,29 A.
Мощность первичной обмотки будет: Р = V x I = 145 х 0,29 = 42 ватта.
Поверх первичной обмотки необходимо расположить обмотку связи. Она должна выдавать напряжение v3 = 6 вольт.
Количество витков ее будет: w3 = n x v3 = 1,25 x 6 = 7,5 витка. Примем 7 витков. Диаметр провода 0,3 — 0,4 мм.
Затем мотается вторичная обмотка w2. Количество витков вторичной обмотки зависит от необходимого нам напряжения. Вторичная обмотка, например на 30 вольт, состоит из двух равных полуобмоток, w3-1 и w3-2 ).
Ток во вторичной обмотке, с учетом КПД (k=0,95) трансформатора: I = k xР/V = 0,95 x 42 ватта / 30 вольт = 1,33 А;
Подберем провод под этот ток. Я применил провод, нашедшийся у меня в запасе, диаметром 0,6 мм. Его S = 0,28 мм.кв.
Допустимый ток каждой из двух полуобмоток I = 0,56 А. Так, как эти две вторичные полуобмотки работают вместе, то общий ток равен 1,12 А, что немного отличается от расчетного тока 1,33 А.
Количество витков в каждой полуобмотке для напряжения 30 вольт: w2.1 = w2.2 = n х 30 = 1,25 х 30 = 37,5 вит.
Возьмем по 38 витков в каждой полуобмотке.
Мощность на выходе трансформатора: Рвых = V x I = 30 В х 1,12 А = 33,6 Ватт, что с учетом потерь в проводе и сердечнике, вполне нормально.
Все обмотки: первичная, вторичная и обмотка связи вполне уместились в окне Sо = 150 мм.кв.
Вторичную обмотку можно таким образом рассчитать на любое напряжение и ток, в пределах заданной мощности.
Второй пример.
Теперь поэкспериментируем. Сложим два одинаковых сердечника №17, Ш 7,5 х 7,5 .
При этом площадь поперечного сечения магнитопровода «Sк», увеличится вдвое. Sк = 56 х 2 = 112 мм.кв. или 1,12 см.кв.
Площадь окна останется та же «Sо» = 150 мм.кв.
Уменьшится показатель n (число витков на 1 вольт). n = 0,7 / Sк = 0,7 /1,12 = 0,63 вит./вольт.
Отсюда, количество витков в первичной обмотке трансформатора будет:
w1 = n х 145 = 0,63 х 145 = 91,35. Примем 92 витка.
В обмотке обратной связи w3, для 6-ти вольт, будет: w3 = n x v3 = 0,63 х 6 = 3,78 витка. Примем 4 витка.
Напряжение вторичной обмотки примем также как и в первом примере равным 30 вольт.
Количество витков вторичных полуобмоток, каждая по 30 вольт: w2.1 = w2.2 = n х 30 = 0,63 х 30 = 18,9. Примем по 19 витков.
Провод для первичной обмотки я использовал диаметром 0,6 мм. : сечение провода 0,28 мм.кв., ток 0,56 А.
С этим проводом мощность первичной обмотки будет: Р1 = V1 x I = 145 В х 0,56 А = 81 Ватт.
Вторичную обмотку я мотал проводом диаметром 0,9 мм. 0,636 мм.кв. на ток 1,36 ампера. Для двух полуобмоток ток во вторичной обмотке равен 2,72 ампера.
Мощность вторичной обмотки Р2 = V2 x I = 30 x 2,72 = 81,6 ватт.
Провод диаметром 0,9 мм. немного великоват, подходит с большим запасом, это не плохо.
Провод для обмоток я применяю из расчета 2 А на миллиметр квадратный (так он меньше греется, и падение напряжения на нем будет меньше), хотя все «заводские» трансформаторы мотают из расчета 3 — 3,5 А на мм.кв. и ставят вентилятор для охлаждения обмоток.
Общий вывод из этих расчетов таков:
- при сложении двух одинаковых Ш — образных сердечников увеличивается площадь «Sк» в два раза при той же площади окна «Sо».
- число витков в обмотках (в сравнении с первым вариантом) изменяется.
- первичная обмотка w1 с 182 витков уменьшается до 92 витка;
- вторичная обмотка w2 с 38 витков уменьшается до 19 витков.
Это значит, что в том же окне «Sо», с уменьшением количества витков в обмотках, можно разместить более толстый провод обмоток, то есть увеличить реальную мощность трансформатора в два раза.
Я наматывал такой трансформатор, со сложенными сердечниками № 17, изготавливал под них каркас.
Нужно иметь в виду, что трансформаторы, по первому и второму примеру, можно использовать под меньшую нагрузку, вплоть от 0 ватт. ИБП вполне хорошо и стабильно держат напряжение.
Сравните внешний вид трансформаторов: пример-1, c одним сердечником и пример-2, с двумя сложенными сердечниками . Реальные размеры трансформаторов разнятся незначительно.
Анализ ферритовых сердечников №18 и №19 подобен предыдущим примерам.
Все наши выполненные расчеты — это теоретические прикидки. На самом деле, получить такие мощности от ИБП на трансформаторах этих размеров довольно сложно. Вступают в силу особенности построения схем самих импульсных блоков питания. Схему .
Выходное напряжение (а следовательно и выходная мощность) зависят от многих причин:
- емкости сетевого электролитического конденсатора С1,
- емкостей С4 и С5,
- падения мощности в проводах обмоток и в самом ферритовом сердечнике;
- падения мощности на ключевых транзисторах в генераторе и на выходных выпрямительных диодах.
Общий коэффициент полезного действия «k» таких импульсных блоков питания около 85%.
Этот показатель все же лучше, чем у выпрямителя с трансформатором на стальном сердечнике, где k = 60%. При том, что размеры и вес ИБП на феррите существенно меньше.
Порядок сборки ферритового Ш — трансформатора.
Используется готовый или собирается — изготавливается новый каркас под размеры сердечника.
Как изготовить « » смотрите здесь. Хотя в этой статье и говорится про каркас для трансформатора со стальным сердечником, описание вполне подходит и к нашему случаю.
Каркас нужно поставить на деревянную оправку. Намотка трансформатора производится вручную.
На каркас сначала мотается первичная обмотка. Виток к витку заполняется первый ряд, затем слой тонкой бумаги, лакоткани, далее второй ряд провода и т.д. На начало и конец провода надевается тонкая ПВХ трубочка (можно изоляцию с монтажного провода) для жесткости провода, чтоб не обломился.
Поверх первичной обмотки наносится два слоя бумаги (межобмоточная изоляция), затем нужно намотать витки обмотки связи w3. Обмотка w3 имеет мало витков, а потому ее располагают скраю на каркасе. Затем наносятся витки вторичной обмотки. Здесь желательно поступить таким образом, чтобы витки вторичной обмотки w2 не располагались поверх витков w3. Иначе могут возникнуть сбои в работе импульсного блока питания.
Намотка ведется сразу двумя проводами (две полуобмотки), виток к витку в ряд, затем слой бумаги или скотч и второй ряд двух проводов. ПВХ трубку на концы провода можно не надевать, т.к. провод толстый и ломаться не будет. Готовый каркас снимается с оправки и надевается на ферритовый сердечник. Предварительно проверьте сердечник на отсутствие зазора.
Если каркас туго одевается на сердечник, будьте очень осторожны, феррит очень легко ломается. Сломанный сердечник можно склеить. Я клею клеем ПВА, с последующей просушкой.
Собранный ферритовый трансформатор, для крепости, стягивается по торцу скотчем. Нужно проследить, чтобы торцы половинок сердечника совпали без зазора и сдвига.
И все таки меня пригласили! Теперь дело со статьями пойдет более оперативно. Темой следующей части изначально я хотел сделать схемотехнику какого нибудь блока, а чего ждать? Но тут вспомнил свою школьную молодость и саму великую проблему с которой сталкивался - как изготовить неведомое для меня на тот момент зверя устройство - импульсный трансформатор
. Прошло десять лет и я понимаю, что у многих (и не только начинающих) радиолюбителей, электронщиков и студентов возникают такие трудности - они попросту их боятся, а как следствие стараются избегать мощных импульсных источников питания (далее ИИП
).
После этих размышлений я пришел к выводу, что первая тема должна быть именно про трансформатор и ни о чем другом! Хотелось бы еще оговориться: что я подразумеваю под понятием «мощный ИИП» - это мощности от 1 кВт и выше или в случае любителей хотя бы 500 Вт.
Рисунок 1 - Вот такой трансформатор на 2 кВт для Н-моста у нас получится в итоге
Великая битва или какой материал выбрать?
Когда-то внедрив в свой арсенал импульсную технику думал, что трансформаторы можно делать только на доступном всем феррите. Собрав первые конструкции первым делом решил выставить их на суд более опытных товарище и очень часто слышал такую фразу: «Ваш феррит гавно не самый лучший материал для импульсника» . Сразу я решил узнать у них какую же альтернативу можно ему противоспоставить и мне сказали - альсифер или как его еще называют синдаст.
Чем же он так хорош и действительно ли лучше феррита?
Для начала надо определиться что должен уметь почти идеальный материал для трансформатора:
1) должен быть магнитомягким
, то есть легко намагничиваться и размагничиваться
Рисунок 2 - Гистерезисные циклы ферромагнетиков: 1) жесткий цикл, 2) мягкий цикл
2) материал должен обладать как можно большей индукцией насыщения, что позволит либо уменьшить габариты сердечника, либо при их сохранение повысить мощность
Насыщение
Явление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется.
В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.
3) материал должен иметь как можно меньшие потери на перемагничивание и токи Фуко
4) свойства материала не должны сильно изменяться при внешнем воздействии: механические усилия (сжатие или растяжение), изменение температуры и влажности.
Теперь рассмотрим свойства феррита и насколько он соответствует предъявленным выше требованиям.
Феррит - является полупроводником, а значит обладает собственным высоким электрическим сопротивлением. Это означает, что на высоких частотах потери на вихревые токи (токи Фуко
) будут достаточно низкими. Получается как минимум одно условия из списка выше у нас уже выполнено. Идем дальше…
Ферриты бывают термостабильными и не стабильными, но этот параметр не является определяющим для ИИП. Важно то, что ферриты работают стабильно в температурном диапазоне от -60 и до +100 о С и это у самый простых и дешевых марок.
Рисунок 3 - Кривая намагничивания на частоте 20 кГц при разных температурах
И наконец-то самый главный пункт - на графике выше мы увидели параметр, который будет определять практически все - индукция насыщения . Для феррита она обычно принимается 0,39 Тл. Стоит запомнить, что при разных условиях - этот параметр будет меняться. Он зависит как от частоты, так и от температуры работы и от других параметров, но особый акцент стоит сделать на первых двух.
Вывод: феррит ништяк! отлично подходит для наших задач.
Несколько слов об альсифере и чем он отличается
1) альсифер работает в чуть большем широком спектре температур: от -60 и до +120 о С - подходит? Еще лучше чем феррит!
2) коэффициент потерь на гистерезис у альсиферов постоянный лишь в слабых полях (при малой мощности), в мощном поле они растут и очень сильно - это очень серьезный минус, особенно на мощностях более 2 кВт, так что тут проигрывает.
3) индукция насыщения до 1,2 Тл!
, в 4 раза больше чем у феррита! - главный параметр и так обгоняет, но не все так просто… Конечно это достоинство никуда не уйдет, но пункт 2 ослабляет его и очень сильно - определенно плюс.
Вывод: альсифер лучше чем феррит, в этом дядьке мне не соврали.
Результат битвы:
любой прочитав описание выше скажет альсифер нам подавай! И правильно… но попробуйте найти сердечник из альсифера и чтобы с габаритной мощностью 10 кВт? Тут обычно человек приходит в тупик, оказывается их и нету особо в продаже, а если и есть, то на заказ напрямую у производителя и цена вас испугает.
Получается используем феррит, тем более если оценивать в целом, то он проигрывает очень незначительно… феррит оценивается относительно альсифера в «8 из 10 попугаев».
Хотел я обратиться к своему любимому матану, но решил этого не делать, т.к. +10 000 знаков к статье считаю избыточным. Могу лишь посоветовать книгу с очень хорошими расчетами авторства Б. Семенова «Силовая электроника: от простому к сложному». Смысла пересказывать его выкладки с некими добавлениями смысла не вижу
И так приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора
Первым делом хочется сразу вспомнить очень серьезный момент - зазор в сердечнике. Он может «убить» всю мощность или добавить еще так на 30-40%. Хочу напомнить, что делаем мы трансформатор для Н-моста
, а он относится к - прямоходовым преобразователям (forward по-буржуйский). Это значит, что зазор в идеале должен быть 0 мм.
Как-то раз, обучаясь курсе на 2-3 решил собрать сварочный инвертор, обратился к топологии инверторов Kemppi. Там я увидел в трансформаторах зазор 0,15 мм. Стало интересно для чего же он. Подходить к преподавателям не стал, а взял и позвонил в российское представительство Kemppi! А что терять? На моей удивление меня соединили с инженером-схемотехником и он рассказал мне несколько теоретических моментов, которые позволили мне «выползти» за потолок в 1 кВт.
Если в кратце
- зазор в 0,1-0,2 мм просто необходим!
Это увеличивает скорость размагничивания сердечника, что позволяет прокачать через трансформатор большую мощность. Максимальный эффект от такого финта ушами зазора достиг в топологии «косой мост»
, там введение зазор 0,15 мм дает прирост 100%! В нашем Н-мосту
эта прибавка скромнее, но 40-60% думаю тоже не дурно.
Для изготовления трансформатора нам понадобится вот такой набор:
а) 
Рисунок 4 - Ферритовый сердечник Е70/33/32 из материала 3С90 (чуть лучший аналог N87)
б) 
Рисукок 5 - Каркас для сердечника Е70/33/32 (тот что больше) и дроссель D46 из распыленного железа
Габаритная мощность такого трансформатора составляет 7,2 кВт. Такой запас нам нужен для обеспечения пусковых токов в 6-7 раз больше номинальных (600% по ТЗ). Такие пусковые токи правда бывают лишь у асинхронных двигателей, но учесть необходимо все!
Неожиданно «всплыл» некий дроссель, он понадобится в нашей дальнейшей схеме (аж 5 штук) и поэтому решил показать как и его наматывать.
Далее необходимо посчитать параметры намотки. Я использую программу от известного в определенных кругах товарища Starichok51 . Человек с огромными знаниями и всегда готовый учить и помогать, за что ему спасибо - в своей время помог встать на путь истинный. Называется программа - ExcellentIT 8.1 .
Привожу пример расчета на 2 кВт:
Рисунок 6 - Расчет импульсного трансформатора по мостовой схеме на 2 кВт повышающий
Как производить расчет:
1) Выделено красным. Это вводные параметры, которые обычно выставляются по умолчанию:
а) максимальная индукция. Помните для феррита она 0,39 Тл, но у нас трансформатор работает на достаточно высокой частоте, поэтому программа выставляет 0,186 сама. Это индукция насыщения в саааамых плохих условиях, включая нагрев до 125 градусов
б) частота преобразования, она задается нами и чем она определяется на схеме будет в следующих статьях. Частота эта должна быть от 20 до 120 кГц. Если меньше - мы будет слышать работу транса и свист, если выше
, то наши ключи (транзисторы) будут иметь большие динамические потери.
А IGBT ключи даже дорогие работают до 150 кГц
в) коэф. заполнения окна - важный параметр, ибо место на каркасе и сердечнике ограничено, не стоит его делать больше 0,35 иначе обмотки не влезут
г) плотность тока - этот параметр может быть до 10 А/мм 2 . Это максимальный ток, который может протекать через проводник. Оптимальное значение 5-6 А/мм 2 - в условиях жесткой эксплуатации: плохое охлаждение, постоянная работа на предельной нагрузке и прочее. 8-10 А/мм 2 - можно ставить если у вас устройство идеально вентилируется и стоит over 9000 несколько куллеров.
д) питание на входе. Т.к. мы рассчитываем трансформатор для DC->DC 48В в 400В, то ставим входное напряжение как в расчете. Откуда цифра взялась. В разряженном состоянии аккумулятор отдает 10.5В, дальше разряжать - снижать срок службы, умножаем на количество батарей (4 шт) и получаем 42В. Возьмем с запасом 40В. 48В берется из произведения 12В * 4 шт. 58В берется из соображения, что в заряженном состоянии батарея имеет напряжение 14,2-14,4В и по аналогии умножаем на 4.
2) Выделено синим.
а) ставим 400В, т.к. это запас для обратной связи по напряжению и для нарезки синуса необходимо минимум 342В
б) номинальный ток. Выбираем из соображения 2400 Вт / 220(230) В = 12А. Как видите везде я беру запас не менее 20%. Так поступает любой уважающий себя производитель качественной техники. В СССР такой запас был эталонный 25% даже для самых сложных условий. Почему 220(230)В - это напряжение на выходе уже чистого синуса.
в) минимальный ток. Выбирается из реальных условий, этот параметр влияет на размер выходного дросселя, поэтому чем больше минимальный ток, тем меньше дроссель, а значит и дешевле устройство. Я опять же выбрал худший вариант 1А, это ток на 2-3 лампочки или 3-4 роутеров.
г) падение на диодах. Т.к. у нас на выходе будут диоды быстродействующие (ultra-fast), то падение на них 0.6В в худших условиях (превышена температура).
д) диаметр провода. У меня некогда купленная катушка меди 20 кг на такой случай и как раз с диаметром 1 мм. Тут ставим тот, который у вас есть. Только более 1,18 мм ставить не советую, т.к. начнет сказываться скин-эффект
Скин-эффект
Скин-эффект - эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Если говорить не как гугл, а моим колхозным языком, то если взять проводник большого сечения, то он не будет использоваться полностью, т.к. токи на большей частоте протекают по поверхности, а центр проводника будет «пустой»
3) Выделено зеленым. Тут все просто - топология у нас планируется «полный мост» и выбираем ее.
4) Выделено оранжевым. Происходит процесс выбора сердечника, все интуитивно понятно. Большое количество стандартных сердечников уже есть в библиотеки, как и наш, но если что можно и добавить путем ввода габаритов.
5) Выделено фиолетовым. Выходные параметры с расчетами. Отдельным окном выделил коэф. заполнения окна, помните - не более 0,35, а лучше не более 0,3. Так же даны все необходимые значения: количество витков для первичной и вторичной обмотки, количество проводов ранее заданного диаметра в «косе» для намотки.
Так же даны параметры для дальнейшего расчета выходного дросселя: индуктивность и пульсации напряжения.
Теперь необходимо рассчитать выходной дроссель. Нужен он чтобы сгладить пульсации, а так же чтобы создать «равномерный» ток. Расчет проводится в программе того же автора и называется она DrosselRing 5.0
. Расчет для нашего трансформатора приведу:
Рисунок 7 - Расчет выходного дросселя для повышающего DC-DC преобразователя
В данном расчете все проще и понятнее, работает по тому же принципу, выходные данные: количество витков и количество проводов в косе.
Стадии изготовления
Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора и дросселя.
Главное правило намотки импульсного трансформатора - все без исключения обмотки должны быть намотаны в одну сторону!
Стадия 1:
Рисунок 8 - Процесс намотки вторичной (высоковольтной) обмотки
Мотаем на каркас необходимое число витков в 2 провода диаметром 1 мм. Запоминаем направление намотки, а лучше отмечаем маркером на каркасе.
Стадия 2:
Рисунок 9 - Изолируем вторичную обмотку
Изолируем вторичную обмотку фторопластовой лентой толщиной 1 мм, такая изоляция выдерживает не менее 1000 В. Так же дополнительно пропитываем лаком, это еще +600В к изоляции. Если нету фторопластовой ленты, то изолируем обычным сантехническим фумом в 4-6 слоев. Это тот же фторопласт, только 150-200 мкм толщиной.
Стадия 3:
Рисунок 10 - Начинаем мотать первичную обмотку, распаиваем провода на каркас
Намотку проводим в одну сторону со вторичной обмоткой!
Стадия 4:
Рисунок 11 - Выводим хвост первичной обмотки
Доматывает обмотку, изолируем ее так же фторопластовой лентой. Желательно еще и пропитать лаком.
Стадия 5:
Рисунок 12 - Пропитываем лаком и распаиваем «хвост». Намотка обмоток окончена
Стадия 6:
Рисунок 13 - Завершаем намотку и изоляцию трансформатора киперной лентой с окончательной пропиткой в лаке
Киперная лента
Киперная лента - хлопчатобумажная (реже шёлковая или полушелковая) тесьма из киперной ткани шириной от 8 до 50 мм, саржевого или диагонального переплетения; суровая, отбельная или гладкокрашеная. Материал ленты отличается высокой плотностью за счет переплетения, он толще, чем у своего ближайшего аналога - миткалевой ленты - из-за использования более толстых нитей.
Спасибо википедии.
Стадия 7:
Рисунок 14 - Так выглядит законченный вариант трансформатора
Зазор 0,15 мм устанавливается в процессе склеивания, путем вкладывания между половинками сердечника подходящей пленки. Лучший вариант - пленка для печати. Сердечник склеивается клеем моментом (хорошим) или эпоксидной смолой. 1-й вариант на века, 2-й позволяет в случае чего разобрать трансформатор без повреждений, например, если понадобится домотать еще обмотку или добавить витков.
Намотка дросселя
Теперь по аналогии необходимо намотать дроссель, конечно мотать на тороидальном сердечнике сложнее, но такой вариант будет компактнее. Все данные у нас имеются из программы, материал сердечника распыленное железо или пермаллой. Индукция насыщения у данного материала 0,55 Тл.
Стадия 1:
Рисунок 15 - Обматываем кольцо фторопластовой лентой
Эта операция позволяет избежать случая с пробоем обмотки на сердечник, это бывает редко, но мы же за качество и делаем для себя!
Стадия 2:
Рисунок 16 - Наматываем нужное количество витков и изолируем
В данном случае количество витков не уместится в один слой намотки, поэтому необходимо после намотки первого слоя произолировать и намотать второй слой с последующей изоляцией.
Стадия 3:
Рисунок 17 - Изолируем после второго слоя и пропитываем лаком
Эпилог
Надеюсь моя статья научит вас процессу расчету и изготовлению импульсного трансформатора, а так же даст вам некоторые теоретические понятия о его работе и материалах из которого он изготавливается. Постарался не нагружать данную часть излишней теорией, все на минимуму и сосредоточиться исключительно на практических моментах. И самое главное на ключевых особенностях, которые влияют на работоспособность, таких как зазор, направления намотки и прочее.
Продолжение следует...
В методике расчета, описанной в , для определения минимального числа витков первичной обмотки W 1 и габаритной Р габ (максимально допустимой) мощности трансформатора двухтактного преобразователя использованы формулы:
где U1 - напряжение на первичной обмотке трансформатора, В; f - частота преобразования, Гц; В max - максимальная магнитная индукция в магнитопроводе, Тл; S c и S w , - площадь сечения и площадь окна, См 2 .
Эти формулы позволяют выполнить приближенный расчет трансформатора. Но формальное следование приведенному в примеру расчета и игнорирование возникающих погрешностей может дать ошибочный результат, следствием которого может быть выход из строя трансформатора и коммутирующих транзисторов.
Рассмотрим, например, кольцевой магнитопровод К40х25х11 из феррита 2000НМ1. Рекомендуемое в максимальное значение магнитной индукции должно быть равно индукции насыщения: B max =B нас =0,38 Тл . Вероятно, в сделан вывод. что под нагрузкой выпрямленное сетевое напряжение 310 В снизится до 285 В. Поэтому для полумостового преобразователя напряжение на первичной обмотке трансформатора (за вычетом напряжения насыщения на коммутирующем транзисторе, которое принято равным 1.6 В): U 1 =285/2-1.6≈141 В. Из расчета по формуле (1) получаем W 1 =11.24≈12 витков первичной обмотки.
Допустим, необходимо получить в нагрузке постоянный ток l н =4 А при напряжении U н =50 В, что соответствует полезной мощности Р н =200 Вт. При КПД η≈0.8 используемая мощность равна P исп =P н /η=200/0.8=250 Вт. Габаритная мощность выбранного трансформатора, вычисленная по формуле (2), более чем в четыре раза превышает требуемую, поэтому он должен функционировать без проблем. В соответствии с максимальный ток в первичной обмотке равен l 1max =P исп /U 1 =1.77 А. Выберем коммутирующие транзисторы с запасом по току 50%, тогда максимально допустимый ток коллектора (стока) I к доп = 1.77*1.5=2.7 А. Для первичной обмотки трансформатора потребуется провод диаметром 0.8 мм. Вторичная обмотка должна содержать пять витков провода диаметром 1.2 мм. На этом расчет трансформатора по методике завершен. Но будет ли нормально работать преобразователь с этим Трансформатором?
Рассмотрим процесс передачи энергии в нагрузку с помощью импульсного трансформатора, схема включения которого показана на рис.1,а. Показаны направления токов в первичной i 1 и вторичной i 2 обмотках трансформатора и полярность напряжения а рассматриваемый полупериод входного импульсного напряжения u 1 , прямоугольная форма которого изображена на рис.1,б.
Заметим, что форма тока в первичной обмотке не прямоугольная. Этот ток - сумма полезной прямоугольной составляющей с амплитудой l 1max =1.77 А и треугольной составляющей тока намагничивания. Последнюю составляющую можно оценить по формуле
Размах тока намагничивания определяется длительностью полупериода ∆t:
На рис.1,в показано, как в течение одного полупериода ток намагничивания i μ возрастает от значения -l max до +l max , а другого - убывает в том же интервале. Даже при отсутствии насыщения магнитопровода только за счет возрастания тока намагничивания суммарный ток l ∑max , показанный на рис. 1,б, может увеличиться до опасных для транзисторов значений.
Рассмотрим влияние гистерезиса. Намагничивание и перемагничивание магнитопровода происходит в соответствии с кривыми, показанными на рис.2. По оси абсцисс - напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой трансформатора, по оси ординат - магнитная индукция В в магнитопроводе. На рис. 2 показаны предельная петля гистерезиса и частная (внутренняя) петля гистерезиса, соответствующая рис. 1,б и 1,в.
Рис.2
Кривая на рис.2, исходящая из точки пересечения координатных осей, соответствует начальному участку кривой намагничивания и характеризует работу трансформатора в слабых магнитных полях. Поскольку, как указывалось, напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой трансформатора, пропорциональна току намагничивания i μ , вполне правомерно совместить на одном рисунке его диаграмму с изменением магнитной индукции В в магнитопроводе.
Если в любой точке петли гистерезиса провести касательную (на рисунке - это касательная АС в точке А), то ее наклон будет определять изменение магнитной индукции ЛВ по отношению к изменению напряженности магнитного поля ∆Н в выбранной точке, т.. е. ∆В/∆Н. Это - динамическая магнитная проницаемость. В точке пересечения координатных осей она равна начальной магнитной проницаемости. Для феррита 2000НМ1 она номинально составляет 2000, но ее реальное значение может находиться в весьма широких пределах: 1700...2500 .
Для показанного на рисунке примера, в котором перемагничивание магнитопровода происходит по частной петле гистерезиса с вершиной в точке D, изменение тока намагничивания i μ1 определяемого формулой (3). будет происходить почти по линейному закону. Если частота преобразования f не превышает 50 кГц, потери энергии на нагрев магнитопровода из-за его перемагничивания пренебрежимо малы. Что же касается режима с заходом значения магнитной индукции в область насыщения материала магнитопровода (B max =B нас). выбранного в , картина будет совершенно иной. В этом случае основной кривой намагничивания соответствует форма тока i μ2 весьма далекая от линейной. Касательная в точке Е с координатами (Н нас, В нас) почти горизонтальна, что эквивалентно существенному уменьшению индуктивности первичной обмотки, и поэтому в соответствии с формулой (3) ток намагничивания резко возрастает, что иллюстрирует график i μ2 . Если коммутирующий транзистор выбран без достаточного запаса по току, он будет неизбежно поврежден. Чтобы исключить насыщение магнитопровода, необходимо выполнить условие: при максимально возможном напряжении питания максимальная магнитная индукция должна соответствовать неравенству B max ≤(0,5...0,75)*В нас. Часто при проектировании двухтактного преобразователя пользуются еще и другим критерием - относительным значением тока намагничивания. Параметры первичной обмотки выбирают так. чтобы размах тока намагничивания ∆l соответствовал не более 5...10% амплитуды прямоугольной составляющей тока в первичной обмотке l 1max , тогда суммарный ток можно приближенно считать прямоугольным.
Индуктивность первичной обмотки трансформатора, содержащей в нашем примере 12 витков, равна 0.3 мГн. Амплитуда тока намагничивания, вычисленная по формуле (4). - 1.18 А. Если теперь для полезной нагрузки 200 Вт сравнить полученное максимальное значение суммарного тока коммутации l ∑max =l 1max +l max =1.77+1.18=2.95≈З А (рис.1,б) с максимально допустимым током коммутирующего транзистора 2.7 А, становится совершенно очевидным факт неправильного выбора транзистора и несоответствия вычисленного диаметра проводника первичной обмотки требуемому значению. Это несоответствие еще более усугубится в случае вполне возможного повышения входного напряжения на 20 %. Поскольку при номинальном напряжении питания выбран режим с заходом значения магнитной индукции в область насыщения материала магнитопровода (B max =B нас), в случае повышения сетевого напряжения максимальное значение тока в первичной обмотке трансформатора l ∑ max значительно превысит даже его уточненное значение 3 А.
Произвольно выбранная в примере расчета частота преобразования 100 кГц, как показывает эксперимент, является предельно возможной для феррита 2000НМ1, при этом необходимо учитывать потери энергии на разогрев трансформатора. Даже если их не учитывать, число витков первичной обмотки должно быть существенно больше. В случае увеличения напряжения сети на 20% амплитуда напряжения на первичной обмотке достигнет 180 В. Если допустить, что при этом напряжении максимальная магнитная индукция в магнитопроводе не превысит В mах =0,75*В нас =0.285 Тл, то число витков первичной обмотки, вычисленное по формуле (1), должно быть равно 20, но никак не 12.
Таким образом, недостаточно обоснованный выбор исходных значений в формуле (1) может привести к неточному или даже ошибочному расчету импульсного трансформатора. Чтобы не возникло сомнений в правомерности применения формулы (1), обоснуем ее аналитически.
Максимальная магнитная индукция В m ax (Тл) в замкнутом магнитопроводе может быть вычислена по известной формуле
где μ 0 = 4π·10 7 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума; μ EFF - эффективная магнитная проницаемость материала магнитопровода; l max - амплитуда тока намагничивания, А; W 1 - число витков первичной обмотки; l EFF - эффективная длина магнитной силовой линии в магнитопроводе, м. Подставим в (5) l max из (4), применяя известную формулу для индуктивности тороидальной обмотки
и переходя от метров к сантиметрам, получим формулу для расчета числа витков
Как видим, формула (6) отличается от (1) лишь тем, что в нее входит эффективная площадь сечения магнитопровода, а не геометрическая. Подробная методика расчета эффективных параметров различных типов магнитопроводов приведена в [З]. При практическом использовании этой формулы значение W, следует округлить вверх до ближайшего целого числа N 1 .
Обратим внимание на особенности применения использованных в соотношений при проектировании трансформаторов для различных двухтактных преобразователей.
Автогенераторные преобразователи с одним трансформатором, подобные описанному в (4), работают с заходом в область насыщения материала магнитопровода (точки Е и Е" на рис. 2). Формулы (1) и (2) используют при B max = В нас. Несколько иначе применяют указанные формулы в случае проектирования автогенераторных преобразователей с двумя трансформаторами, таких как описанный в . В нем обмотка связи на мощном трансформаторе соединена с маломощным трансформатором в цепи управления базами коммутирующих транзисторов. Импульсное напряжение, наводимое в обмотке связи, создает насыщение в маломощном трансформаторе, который и задает частоту преобразования в соответствии с формулой (1). Эту частоту подбирают такой, чтобы избежать насыщения в мощном трансформаторе, типоразмер которого определяют согласно формуле (2). В подобных блоках питания сигналы управления, формируемые насыщающимся маломощным трансформатором, сводят до минимума сквозной ток в коммутирующих транзисторах.
Наряду с автогенераторами, большой популярностью у радиолюбителей пользуются двухтактные преобразователи с внешним возбуждением. Чтобы исключить сквозной ток коммутации, генераторы сигналов внешнего возбуждения формируют защитный временной интервал между выключением открытого и включением закрытого коммутирующих транзисторов. После выбора частоты преобразования и максимального значения магнитной индукции в магнитопроводе обычно вначале на основании (2) определяют требуемый магнитопровод трансформатора, а затем с помощью формулы (1) рассчитывают число витков первичной обмотки трансформатора.
| Тмпоразмер | S o , | S EFF , | L EFF | А L , | Частота преобразования. кГц | ||||||||
| 30 | 40 | 50 | |||||||||||
| Р max | N 1 | I max | Р max | N 1 | I max | Р max | N 1 | I max | |||||
| см 2 | см 2 | см | мкГн | Вт | вит. | А | Вт | вит. | А | Вт | вит. | А | |
| К28х16х9 | 2.01 | 0.526 | 6.56 | 2 | 42 | 115 | 0.06 | 56 | 86 | 0.08 | 70 | 69 | 0.09 |
| КЗ1х18.5х7 | 2.69 | 0.428 | 7.44 | 1.44 | 48 | 141 | 0.05 | 61 | 106 | 0.07 | 77 | 85 | 0.09 |
| КЗ2х16Х8 | 2.01 | 0.615 | 6.97 | 2.2 | 49 | 98 | 0.07 | 66 | 74 | 0.09 | 82 | 59 | 0.12 |
| К32х16Х12 | 2.01 | 0.923 | 6.97 | 3.32 | 74 | 86 | 0.10 | 99 | 49 | 0.14 | 124 | 40 | 0.17 |
| К32х20Х6 | 3.14 | 0.353 | 7.88 | 1.12 | 44 | 170 | 0.05 | 59 | 128 | 0.06 | 74 | 102 | 0.08 |
| КЗ2х20х9 | 3.14 | 0.53 | 7.88 | 1.68 | 67 | 114 | 0.01 | 89 | 85 | 0.09 | 111 | 68 | 0.12 |
| КЗ8х24х7 | 4.52 | 0.482 | 9.4 | 1.28 | 87 | 125 | 0.08 | 116 | 94 | 0.1 | 145 | 75 | 0.13 |
| К40х25х7.5 | 4.91 | 0.552 | 9.84 | 1.4 | 106 | 109 | 0.09 | 145 | 82 | 0.12 | 181 | 66 | 0.15 |
| К40х25х11 | 4.91 | 0.811 | 9.84 | 2.08 | 159 | 74 | 0.13 | 212 | 56 | 0.17 | 265 | 45 | 0.21 |
| К45x28Х8 | 6.16 | 0.667 | 11 | 1.52 | 164 | 90 | 0.12 | 219 | 68 | 0.16 | 274 | 54 | 0.20 |
| К45x28Х12 | 6.16 | 0.978 | 11 | 2.24 | 241 | 62 | 0.17 | 321 | 47 | 0.23 | 402 | 37 | 0.29 |
Для ориентировочных расчетов и предварительного выбора требуемого типоразмера магнитопровода из феррита 2000НМ1 служит таблица, в которой для нескольких значений частоты преобразования f представлены результаты расчетов минимального числа витков N 1 первичной обмотки по формуле (6), амплитудного значения тока намагничивания I max по формуле (4) и максимально возможной полезной мощности Р max . При вычислении последней вначале была вычислена габаритная мощность по формуле (2) с использованием эффективной площади сечения магнитопровода вместо геометрической, затем она была умножена на значение КПД, равное 0.8. Сумма
I ∑max = l 1 max + l max
дает основание для выбора коммутирующего транзистора по максимально допустимому току коллектора (стока). Это же значение тока можно использовать и для определения диаметра провода первичной обмотки трансформатора в соответствии с приведенной в формулой
Расчеты выполнены при условии, что максимальная магнитная индукция В mах не превысит 0.25 Тл, даже если напряжение сети будет выше номинального на 20 %, вследствие чего напряжение на первичной обмотке трансформатора двухтактного полумостового инвертора может достигать 180 В (с учетом падения напряжения на токоограничивающем резисторе и выпрямительных диодах). Магнитопровод следует подбирать с запасом 20...40% по максимальной выходной мощности, указанной в таблице. Хотя таблица составлена для полумостового преобразователя, ее данные можно легко модифицировать и для мостового. В этом случае напряжение на первичной обмотке трансформатора будет в два раза больше, а амплитуда прямоугольной составляющей тока первичной обмотки - в два раза меньше. Число витков должно быть вдвое больше. Индуктивность обмотки возрастет в четыре раза, а ток >I max уменьшится вдвое. Можно использовать магнитопровод из двух сложенных вместе ферритовых колец одного типоразмера, что приведет к двукратному увеличению площади сечения магнитопровода S c и коэффициента индуктивности A L . Согласно формуле (2) габаритная и полезная отдаваемая мощность также возрастут вдвое. Минимальное число витков первичной обмотки, вычисленное по формуле (6) останется неизменным. Ее индуктивность возрастет вдвое, а ток намагничивания I max , определенный по формуле (4), останется прежним.
В блоках питания с выводом от средней точки первичной обмотки трансформатора к половине этой обмотки прикладывается полное напряжение сети, поэтому число витков обмотки должно быть в два раза больше по сравнению с мостовым преобразователем при прочих равных условиях.
Подчеркнем, что из-за значительного разброса реальных значений параметров ферромагнитных материалов по сравнению с их справочными данными таблицу можно использовать только для предварительного выбора магнитопровода, а затем, после экспериментального измерения его характеристик, требуется провести уточненный расчет трансформатора. Например, для магнитопровода К40х25х11 в таблице приведено значение коэффициента индуктивности A L =2.08 мкГн на виток. Экспериментально уточним магнитные свойства конкретного экземпляра магнитопровода: для пробной обмотки из N проб = 42 витков измеренная индуктивность равна ≈3.41 мГн, а коэффициент индуктивности
Но отличия могут быть и более значительными, поэтому приведенное в таблице значение коэффициента индуктивности следует все же рассматривать как ориентировочное. В нашем случае нужно либо увеличить число витков, чтобы индуктивность обмотки была не меньше рассчитанной по табличным данным, либо при выборе транзисторов учесть, что ток l max будет больше табличного в 2,08/1,93≈1.1 раза.
На этапе изготовления, скорее всего, окажется, что рекомендованное минимальное число витков первичной обмотки будет лишь частично заполнять первый слой трансформатора. Чтобы магнитное поле, создаваемое такой обмоткой в магнитопроводе, было однородным, ее витки располагают либо "вразрядку", либо заполняют ими слой целиком, а затем, с учетом нового числа витков, проводят окончательный расчет трансформатора.
Завершим расчет трансформатора, выбранного в качестве примера. Из таблицы следует, что на частоте 50 кГц максимальная полезная мощность составит 265 Вт, минимальное число витков первичной обмотки N 1 равно 45. Ориентировочно максимальное значение коммутируемого тока: 1.77+0.21=1.98 А. Определим диаметр провода первичной обмотки трансформатора. Как указывалось , ближайший по диаметру из производимой промышленностью номенклатуры выберем d 1 =0,83мм, а с учетом изоляции d 1 =0,89 мм. Если учесть электрическую изоляцию магнитопровода несколькими слоями лакоткани общей толщиной 0,25 мм, внутренний диаметр магнитопровода уменьшится до 25-0.5=24.5 мм. При этом длина внутренней окружности составит π·24,5≈80 мм. С учетом коэффициента заполнения 0,8 для намотки первого слоя обмотки доступно 64 мм, что соответствует 64/0,89 = 71 витку. Таким образом, для 45 витков достаточно места. Наматываем их "вразрядку".
При определении числа витков вторичной обмотки необходимо знать падение напряжения на первичной обмотке. Если учесть, что длина одного витка составляет 40.5-24.5+2-11.5=39 мм, то общая длина провода в первичной обмотке равна 45*39=1.755 м. Учитывая погонное сопротивление провода , получим R обм1 =0.0324*1.755=0.06 Ом, а падение напряжения на первичной обмотке достигнет U 1nад =1.77*0.06=0,1 В.
Очевидно, что столь малым его значением можно пренебречь. Если предположить, что потери на выпрямительном диоде примерно равны 1 В, тогда получим расчетное число витков вторичной обмотки N 2 =45*(51/150)=15,3 ≈ 16 витков. Диаметр провода вторичной обмотки
Заполнение окна трансформатора по меди
что соответствует коэффициенту заполнения
С учетом необходимости межслойной и межобмоточной изоляции среднее значение коэффициента заполнения может достигать K m =0.35, а максимальное - K m = 0.5 . Таким образом, условие размещения обмоток выполнено.
Уточним максимальное значение тока намагничивания с учетом того, что измеренное значение коэффициента индуктивности оказалось в 1.1 раза меньше табличного. Поэтому ток намагничивания I max будет в 1.1 раза больше и составит 0.23 А, что в нашем примере не сильно отличается от табличного значения, 0.21 А. Суммарный ток коммутации в первичной обмотке при максимальном сетевом напряжении равен l Σmax =1.77+0.23=2 А. Исходя из этого необходимо выбрать коммутирующие транзисторы с максимально допустимым током коллектора (стока) не менее l дoп =1.5*2=3 А. Максимальное напряжение на коммутирующих транзисторах (в закрытом состоянии) равно полному выпрямленному напряжению сети, поэтому максимально допустимое напряжение на коллекторе (стоке) должно быть не менее U дoп =1.2*360=432 В. На этом расчет импульсного трансформатора завершен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жучков В. Расчет трансформатора импульсного блока питания. - Радио, 1987, № 11. с. 43.
2. Справочная информация. Справочник по ферритам. Ферромагнитные материалы. - http://www.qrz.ru/reference/ferro/ferro.shtml
3. Михайлова М. М., Филиппов в. в., Муслеков В. П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. - М.: Радио и связь, 1983.
4 . Kнязев Ю., Сытник Г., Cоркин И. Блок ЗГ и питание комплекта ИК-2 . - Радио, 1974, № 4, с. 17.
5. Беребошкин д. Усовершенствованный экономичный блок питания. - Радио, 1985. № 6, с. 51,52.
6. Першин В. Расчет сетевого трансформатора источника питания. - Радио, 2004, № 5, с. 55-57.
С.КОСЕНКО, Радио, 2005, №4, с.35-37,44.
