Частота импульсного трансформатора: Импульсный трансформатор: принцип работы, расчет

Содержание

Как в источниках электропитания применяют трансформатор

Как в источниках электропитания применяют трансформатор

Электротрансформатор— статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Различные части электроприборов, как правило, нуждаются в питании разным напряжением. Для того чтобы это обеспечить, в блоках питания данных устройств применяются трансформаторы с несколькими вторичными обмотками, выдающими разное напряжение, либо применяется несколько отдельных трансформаторов, каждый из которых обеспечивает свое определенное напряжение.

Так, например, в старых телевизорах (с кинескопами на электронно-лучевой трубке) 5-7 вольт для питания транзисторов, микросхем или ламп получалось от одного трансформатора, а несколько киловольт для питания анода кинескопа — от другого — высоковольтного, так называемого строчного трансформатора.

Данный трансформатор далее питал умножитель напряжения, который еще в несколько раз повышал высокое напряжение, получаемое со вторичной обмотки «строчника».

Трансформатор вчера и сегодня

В былые времена, когда импульсная полупроводниковая техника не была еще так популярна как сегодня, трансформаторы питания работали лишь на сетевой частоте - 50 или 60 Гц.

Современная же радиотехническая и электронная аппаратура, такая как блоки питания телевизоров, мониторов, компьютеров и т. д. всюду использует высокочастотные импульсные трансформаторы, преобразующие напряжение с частотой в десятки и сотни кГц.

В таких схемах сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется диодами, чтобы получилось 300-310 вольт постоянного напряжения. Затем это постоянное напряжение при помощи инвертора на полевых транзисторах преобразуется в импульсы, следующие с высокой частотой, и подаваемые на первичную обмотку импульсного трансформатора.

Схема питания импульсного трансформатора управляется методом широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ), что позволяет стабилизировать напряжение, получаемое со вторичной (вторичных) обмотки (обмоток) импульсного трансформатора. Напряжение со вторичной обмотки импульсного трансформатора выпрямляется, фильтруется и стабилизируется. Так получается постоянное напряжение требуемой для питания того или иного блока величины, например 24 вольта.

Ниже частота — тяжелее трансформатор

Раньше сетевые трансформаторы, работающие на частоте сети (50 или 60 Гц) можно было встретить в каждом блоке питания магнитофона, телевизора, радиоприемника, проигрывателя, и это была самая тяжелая деталь прибора, часто довольно большого размера, она занимала много пространства внутри корпуса либо находилась в отдельном выносном тяжелом блоке питания.

Суть в том, что размер любого трансформатора тем больше, чем больше преобразуемая данным трансформатором мощность, а в случае с сетевым низкочастотным трансформатором («железным») эта зависимость оказывается такой, что номинальная мощность оказывается пропорциональна линейным размерам сердечника в 4 степени!

Но размер трансформатора при той же передаваемой мощности можно уменьшить, для этого необходимо повысить частоту преобразования напряжения, что и реализовано в импульсных трансформаторах современных импульсных блоков питания и инверторов, которые получаются значительно легче именно за счет повышения частоты преобразования благодаря применению транзисторов и значительно более высокочастотных ферромагнитных материалов сердечника нежели трансформаторное железо, которое раньше сплошь и рядом только и применялось в сетевых трансформаторах.

Иногда трансформатор на железе незаменим

Однако, несмотря на недостатки сетевых трансформаторов с тяжелыми железными магнитопроводами, они продолжают использоваться в некоторых исключительных узлах питания, когда необходимо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех и искажений.

Так, например при конструировании высококачественного лампового акустического усилителя традиционно продолжают применять сетевые трансформаторы как в качестве накальных, так и в качестве анодных.

Ибо если на ламповый усилитель поставить вместо классического трансформатора импульсный блок питания, то неминуемо возникнут помехи от работы транзисторных ключей и других процессов, свойственных импульсным устройствам, которые ухудшат качество воспроизводимого звука.

Кроме того именно трансформаторное железо лучше всего передает частоты акустического диапазона, поэтому и выходные трансформаторы в ламповых акустических усилителях — это именно «железные» трансформаторы, которые всегда изготавливают с особой тщательностью.

Ранее ЭлектроВести писали, что диспетчеры НЭК «Укрэнерго» успешно провели тестирование дистанционного управления подстанции 220 кВ «Березань», которая находится в поселке Березанка Николаевской области.

По материалам: electrik.info.

РадиоКот :: Расчёт импульсных трансформаторов

РадиоКот >Чердак >

Расчёт импульсных трансформаторов

 

 

Хочу рассказать о расчёте импульсных трансформаторов т.к. в сети очень много методик, но все они какие – то отдалённые и примерные с какими то непонятными коэффициентами, числами, откуда они взялись никто не описывает а приводит конечный результат в итоге результат получается с большим отклонением!!

Начнём с того, что мы захотели разработать некое устройство, посчитали необходимую требуемую мощность на выходе, допустим она равна 250 Вт, далее необходимо выбрать магнитопровод обеспечивающий заданую мощность.

Для этого существует реальная формула для оценки входной габаритной мощности магнитного элемента:

  • кф – коэффициент формы напряжения или тока: для синуса =1,11 для прямоугольника =1.
  • Кзс – коэффициент заполнения геометрического сечения магнитопровода материалом феромагнетика Кзс = 0,6 – 0,95 и даётся в справочной литературе на магнитный элемент.
  • Кок - коэффициент заполнения окна магнитопровода сечениями проводников, Кок =0,35.
  • n0 – коэффициент показывающий какую часть катушки занимает первичная обмотка, для трансформаторов n0 = 0,5.
  • Sc – сечение магнитопровода.
  • Sок – сечение окна магнитопровода.
  • J – плотность тока, при естественном охлаждении 3500000 А/м2, при принудительном 6000000 А/м2
  • В – рабочая индукция магнитопровода.
  • F - частота напряжения либо тока Гц.

И так по этой формуле мы оценим реальную габаритную мощность трансформатора и прикиним что можем выжать с этого сердечника!

Например:

Имеем трансформатор от компьютерного блока питания с параметрами.

Сечение магнитопровода Sс = 0,9 см2

Сечение окна Sок = 2,4 см2

Рабочая индукция В = 0,15 (ориентировочное значение)

Частота предпологаемой работы нашего устройства f = 50кГц.

 

Все величины в единицах СИ!!!!!!!!! Т.е. переводим всё в метры, амперы, герцы, и.т.д.

 

Получим:

Так сердечник оценили, идём дальше, теперь необходимо разобраться с витками и сечением провода.

Начнём с витков в первичной обмотки, для этого существует замечательная формула:

Все данные мы рассмотрели выше, кроме U1- это непосредственно напряжение на первичной обмотке.

Допустим строим полумостовой преобразователь, Еп = 24В, следовательно U1 = 12В т.к первичная обмотка будет подключена через ёмкостной делитель т.е 24/2.

Далее считаем.

Вторичная обмотка допустим имеет напряжение 50В.

 

Все значения округляем до целого числа!

Теперь посчитаем сечение проводников обмоток.

P1

– мощность необходимая нам на выходе и принятая ранее 250 Вт.

  • Вторичной: (потерями пренебрежём)

 

При намотке трансформатора не забываем про вытеснение тока на поверхность проводника в зависимости от частоты и производим расщепление проводника (литцендрант) или используем фольгу.

  • Формула для расчёта расщепленного проводника:

 

Теперь не трудно посчитать и диаметр провода и раскладку провода!

В этой статье я хотел коротко и доступно рассказать о расчёте импульсного трансформатора, с разъяснением основных коэффициентов, что откуда берётся.

Также не забываем, что для более качественного расчёта необходимо использовать справочные данные магнитного элемента.

В итоге хотелось сказать, что использую даную методику уже несколько лет для расчёта как низкочастотных так и ВЧ трансформаторов. 

 

Используемая литература:

Обрусник В.П. Магнитные элементы электронных устройств: Учебное пособие. - Томск: ТУСУР 2006 - 154 с.

 

 

Файлы:
22

Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Как работает импульсный трансформатор, чем отличается

Импульсный трансформатор (ИТ) — это трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе.

Особенностью работы импульсных трансформаторов является то, что на их первичную обмотку поступают однополярные импульсы, которые содержат постоянную составляющую тока, поэтому сердечник работает с постоянным подмагничиванием.

Импульсные трансформаторы применяются в устройствах связи, автоматики, вычислительной техники, при работе короткими импульсами, для изменения их амплитуды и полярности, исключения постоянной.

Импульсный трансформатор в чем основные отличие от обычного

У импульсного трансформатора (ИП) в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования.

Основные отличия:

  1. Размер — импульсного трансформатора  обратно пропорционален его рабочей частоте.
  2. Работает трансформатор импульсный от обычного в другой частоте входного напряжения.

В настоящее время большинство блоков питания выполняют на импульсных трансформаторах. Здесь снижение затрат на производство, удешевление стоимости изделия, экономия размеров и веса.

Наиболее важной функцией импульсников является стабилизация напряжения выхода в рабочем режиме.

Другой областью их использования является защита от короткого замыкания на нагрузке при холостом ходе, и защита от чрезмерного возрастания напряжения, а также перегрева устройств.

Особенности конструкций

Основной особенностью конструкции импульсных трансформаторов является малое число витков. Наиболее экономичными стали тороидальные устройства, а менее экономными – бронестержневые. См. Виды магнитопроводов 

Цилиндрическая обмотка обладает свойством малой индуктивности рассеяния, имеет простую конструкцию и технологична в изготовлении. Расположение и число слоев может быть различным, так же, как и схемы их соединений.

Виды обмоток импульсных трансформаторов

Спиральные

Применяются для трансформаторов с наименьшей индуктивностью рассеяния. Их применение целесообразно при автотрансформаторном подключении. Намотка производится тонкой и широкой фольгой или лентой.

Конические

Предназначены для снижения индуктивного рассеяния с незначительным повышением емкости обмоток. Их особенностью является толщина изоляции слоев, которая прямо зависит от напряжения между витками первичной и вторичной обмотки. Толщина изоляции повышается от начала к концу обмоток по линейной зависимости.

Цилиндрические

Имеют низкую индуктивность рассеяния, хорошую технологичность и простую конструкцию.

Потери энергии

Важной проблемой при создании конструкции импульсных трансформаторов является снижение потерь энергии и повышение его КПД.

Потери складываются из:

  • Потери от гистерезиса.
  • Магнитной вязкости.
  • Некачественная изоляция.
  • Вихревые токи.

Кроме простого расчета потерь, для магнитопровода используют высоколегированные марки стали. Это позволяет уменьшить потери и приблизить форму петли гистерезиса к форме прямоугольника. Такие материалы предназначены для обеспечения значительных параметров индукции.

Вихревые токи искусственно разъединяют. А также применяют конструкции магнитных систем с наибольшей магнитной проницаемостью. Такими способами добиваются стабильных параметров вихревого тока в магнитопроводе.

Применяемые материалы

Вид магнитного материала значительно влияет на показатели качества и работу импульсного режима. Материал изготовления сердечника магнитопровода оценивается по значениям величин, которые определяют качество свойств:

  • Удельное сопротивление применяемых материалов прибора.
  • Индукция насыщения.
  • Возможность применения самых тонких листов стали или лент.
  • Коэрцитивная сила.
Электротехническая сталь

Импульсные трансформаторы предпочтительно оснащать магнитопроводами, изготовленными из электротехнической стали марок от 3405 до 3425, которые имеют наиболее высокие значения индукции насыщения и низкие параметры коэрцитивной силы, а также наибольшее значение величины прямоугольности формы петли гистерезисного цикла. Такой материал в настоящее время приобрел большую популярность.

Пермаллой

Этот материал является прецизионным сплавом, обладающим магнито-мягкими свойствами. Он чаще всего состоит из железа и никеля, с добавлением легирующих элементов.

Ферриты

Другим очень востребованным материалом для изготовления импульсных трансформаторов, а точнее, его сердечника являются ферритовые материалы. Они имеют малую длительность трансформируемых импульсов. Такие магнитопроводы обладают повышенным удельным сопротивлением и не имеют потерь от вихревых токов. Они применяются для импульсных трансформаторов с интервалом импульсов, который измеряется несколькими наносекундами.

Система обозначений и маркировки импульсных трансформаторов включает в себя следующие элементы:

  • Первый – буква – Т,
  • Второй – буква И (импульсный) или сочетание букв ИМ. Буква И соответствует трансформаторам с длительностью входного импульса от 0,5 до 100 мкс, а ИМ – от 0,02 до 100 мкс.
  • Третий – число порядковый номер разработки.

Например: обозначение ТИ-5 – трансформатор импульсный с длительностью входного импульса от 0,5 до 100 мкс, номер разработки 5

Видео: Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор принцип работы

Принцип работы импульсных трансформаторов   заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

схема работы импульсного трансформатора. Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

Временная диаграмма иллюстрирующая работу импульсного трансформатора

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е(t), временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала tu, после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-tu).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τp=L0/Rн

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=Вmax – Вr

  • Вmax – уровень максимального значения индукции;
  • Вr –остаточный.

Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

График смещения

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U2, в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр iu).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до tu остается неизменным, его значение еt=Um. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

при этом:

  • Ψ – параметр потокосцепления;
  • S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.

Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром tu , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке импульсного трансформатора, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на tu. В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

Um x tu=S x W1 x ∆В

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:

  • L0 – перепад индукции;
  • µа – магнитная проницаемость сердечника;
  • W1 – число витков первичной обмотки;
  • S – площадь сечения сердечника;
  • l – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
  • Вr – величина остаточной индукции;
  • Вmax – уровень максимального значения индукции.
  • Hm – Напряженность магнитного поля (максимальная).

Учитывая, что параметр индуктивности импульсного трансформатора полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µа, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра Вr, отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным импульсным трансформатором идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Видео: Как работает импульсный трансформатор / трансформатор своими руками / демонстрация

Поделиться ссылкой:

Расчёт и изготовление трансформатора для импульсного блока питания

«Как-то лет в 12 нашёл я старый трансформатор, слегка перемотал его и включил.
Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом.
Вот так я и начал изучать силовую электронику».

А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами.
При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один - массогабаритные показатели. Всё остальное - сплошной минус.
Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований.

Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR2153 и IR2155, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.
И если сердце импульсного блока питания колотится внутри готовой буржуйской микросхемы, то главным, ответственным за электрохозяйство среди остальных наружных образований, безусловно, является правильно выполненный трансформатор.

Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД.
Но самое главное - при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов.

По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами. Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику.

И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое.
Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.

Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR2153 с идентичными заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов.
А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание "что-то подправить в консерватории". Объясняется это желание просто - существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора.

А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR2153, не обременённую ни устройством защиты, ни какими-либо другими излишествами.


Рис.1

Схема проверена временем и многочисленными опытами изрядно пощипанных током, неустрашимых радиолюбителей, так что не работать в ней - просто нечему.

Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора.

Мотать его будем на бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя 2000НМ или импортных - EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода.

Концепция выбора габаритной мощности с запасом в 10% от максимальной мощности в нагрузке, заложенная в режимы автоматического подбора сердечника в большинстве калькуляторов, хотя и не противоречит теоретическим расчётам, учитывающим высокий КПД импульсного трансформатора, но всё же наводит на грустную мысль о ненадлежащей надёжности и возможной скорой кончине полученного моточного изделия.
Куда мне ближе трактовка этого параметра, описанная в литературе: Pгаб>1,25×Рн .

Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR2153, равной 50 кГц. Почему именно такой?
Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры.
А не выше, потому что мы пилоты... А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше 60-70 кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в 3-9 раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину.

Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки.
Результаты сведём в таблицу.

 Мощность блока  
 питания, Вт  
 Размеры кольца, мм ;  
 (габаритная мощность, Вт)  
 Количество витков  
 первичной обмотки  
 Индуктивность  
  обмотки, мГн
25
 R 20×12×6 2000НМ (33,8 Вт) 
 R 22,1×13,7×6,35 №87 (51,5 Вт) 

208 (d=0,25мм)  
152 (d=0,25мм)  

51,9
30,9
50
 R 22,1×13,7×12,5 №87 (100,1 Вт) 
 R 22,1×13,7×7,9 №87 (63,9 Вт) 
 R 27×18×6 2000НМ (85,3 Вт) 

78 (d=0,35мм)  
122 (d=0,35мм)  
185 (d=0,35мм)  

15,9
24,8
32,8
100
 R 28×16×9 2000НМ (136 Вт) 
 R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт) 

93 (d=0,5мм)  
139 (d=0,5мм)  

17,0
19,3
200
 R 28×16×18 2000НМ (268 Вт) 
 R 29,5×19,0×14,9 №87 (297 Вт) 
 R 30,5×20,0×12,5 №87 (265 Вт) 
 R 34,0×20,5×10,0 №87 (294 Вт) 
 R 34,0×20,5×12,5 №87 (371 Вт) 
 R 38×24×7 2000НМ (278 Вт) 

47 (d=0,7мм)  
52 (d=0,7мм)  
62 (d=0,7мм)  
61 (d=0,7мм)  
49 (d=0,7мм)  
102 (d=0,7мм)  

8,7
7,8
8,9
8,3
6,7
13,2
400
 R 36,0×23,0×15,0 №87 (552 Вт) 
 R 38×24×14 2000НМ (565 Вт) 
 R 40×25×11 2000НМ (500 Вт) 

42 (d=1,0мм)  
51 (d=1,0мм)  
61 (d=1,0мм)  

5,2
6,6
7,6
800
 R 40×25×22 2000НМ (998 Вт) 
 R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт) 
 R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт) 

31 (d=1,6мм)  
37 (d=1,6мм)  
25 (d=1,6мм)  

3.9
4,1
2,8
1500
 R 50,0×30,0×20,0 №87 (1907 Вт) 
 R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт) 

21 (d=2×1,5мм)  
18 (d=2×1,5мм)  

2,0
1,5

Как следует мотать первичную обмотку трансформатора?


Рис. 2   а) б) в) г) д)

Если используются кольца 2000НМ отечественного производителя, то для начала - посредством наждачной бумаги скругляем наружные острые грани до состояния, приведённого на Рис.2 а).

Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку (Рис.2 б). В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту.

Для буржуйских колец фирмы EPCOS первые два пункта практической ценности не имеют.

Настало время намотать однослойную обмотку «виток к витку» (Рис.2 в). Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода - это важно!

Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра (Рис.2 г). Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре (или два провода по 0,7мм).

Ну и для завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку - пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты (Рис.2 д).

А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения.
Казалось бы, расчёты количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора настолько банальны и очевидны, что, как говаривал товарищ Мамин-Сибиряк - «яйца выеденного не стоят».
Да только вот опять - не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Поэтому для начала приведём формулу зависимости выходного напряжения от соотношения количества витков обмоток:
W1    (Uвх - Uдм1)/2 - Uнас ,
W2         (Uвых+Uдм2)

где Uвх - значение выпрямленного напряжения сети, равное 1,41×220≈310В,
Uдм1 - падение напряжения на входном диодном мосте ≈ 1В,
Uдм2 - падение напряжения на выходном диодном мосте ≈ 1В,
Uнас - напряжение насыщения на ключевом транзисторе ≈ 1,6В.
Подставив значения, получаем конечную формулу W2 = W1×(Uвых+1)/153.
Это формула верна для случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу.
Если же данный параметр нас интересует при максимальном токе нагрузки, то практика показывает, что количество витков вторичной обмотки следует увеличить на 10%.

Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора. Диаметр этот достаточно просто вычисляется по формуле:
D = 1,13× I / J,
где I - ток обмотки, а J - параметр плотности тока, напрямую зависящий от мощности трансформатора и принимающий для кольцевых сердечников значения:
≈4,5 для мощностей до 50Вт;  ≈4 для 50-150Вт;  ≈3,25 для 150-300Вт и  ≈2,75 для 300-1000Вт.

И в завершении приведу незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора.

Точно так же, как и в случае с первичной обмоткой - вторичная должна быть как можно более равномерно распределена по периметру магнитопровода.

Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода. При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора.

При необходимости поиметь двуполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий - к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец - к GND-у.

Ну что ж, с трансформатором определились, пора озадачиться полным джентльменским набором настоящего мужчины - плавками с меховым гульфиком, а главное, непосредственно импульсным блоком питания, оснащённым такими значимыми прибамбасами, как устройства мягкого пуска и защиты от токовых перегрузок и КЗ.
Всё это хозяйство подробно опишем на странице Ссылка на страницу.

 

Электронный трансформатор: особенности, материалы, мультивибраторы

Электронный трансформатор – обыденное название источника питания-преобразователя сетевого напряжения 220 В в 12. Не исключено, что найдутся и прочие номиналы. 12 В переменного тока широко используются для осветительных целей, что обеспечило устройству популярность. Трансформатором устройство названо за альтернативу простому сетевому трансформатору на 220 В.

Благодарности

Нельзя обойти благодарностью Рубена Ли, потрудившегося собрать столько замечательной информации о малогабаритных трансформаторах в одноименной книге. С.В. Куликов оказал большую помощь в объяснении устройства мультивибраторов, а инженеры П. Фичера и Р. Сколло из STMicroelectronics GROUP OF COMPANIES пояснили современное состояние отрасли, дав рекомендации по выбору транзисторов.

Преимущества

Электронный трансформатор существенно меньше обычного и позволяет регулировать выходную мощность. Схема гибкая и легко реализует защиту от короткого замыкания. Побочным эффектом становится низкий уровень шума, отсутствует гудение типичного силового трансформатора (точнее, вибрация арматуры выше уровня восприятия человеческого слуха).

Название и внутреннее устройство

Электронный трансформатор состоит преимущественно из малогабаритного трансформатора и ряда транзисторов. Фактически это сильно упрощённый импульсный источник питания. Вместо генератора на интегральной схеме работает несложный мультивибратор из пары биполярных транзисторов. Фильтры выходного напряжения отсутствуют за ненадобностью, драйвер низковольтных газоразрядных лампочек способен самостоятельно сгладить напряжение. Нет и силового тиристорного ключа, силовые транзисторы и так представляют генератор высокочастотного напряжения. Порядок действий:

  1. Диодный мост выпрямляет напряжение, частично фильтруемое дросселями.
  2. Пульсирующий поток питает транзисторы, включённые по схеме мультивибратора.
  3. С выхода генератора высокочастотных импульсов сигнал подаётся на малогабаритный трансформатор.

Хитрость заключается в том, чтобы создать транзисторы, способные питаться высоким напряжением. Если есть генератор на интегральной схеме (присутствует в каждом импульсном блоке питания), то производители не сильно озадачены лишь двумя силовыми ключами. Для понимания работы электронного трансформатора нужно представлять, на каких принципах зиждется миниатюризация оборудования.

Причины малого размера импульсного трансформатора

Нет чёткой границы между силовыми и импульсными трансформаторами. Просто с увеличением частоты сильно снижаются размеры обмотки и сердечника при прежней пропускаемой мощности. Впервые это осознал Тесла, желавший поднять частоту питания оборудования до 600-700 Гц, дабы сделать ток безопасным для человека. Однако с ростом частоты увеличиваются потери в сердечнике, а волна излучается в пространство, и кабель нуждается в экране. Первое объясняется утолщением петли гистерезиса цикла перемагничивания, что объясняется, как ни странно, текущими в шихтованном материале индукционными токами.

Трансформаторы в исходном виде пришли из сетей электроснабжения. В истории создание приборов приписывают Яблочкову, но, поблагодарив Ответы Мэйл.ру, хочется привести иной взгляд на вопрос:

  1. В 1831 году Майкл Фарадей изобрёл первый (тороидальный) трансформатор и на его основе проиллюстрировал действие закона электромагнитной индукции.
  2. После Майкла Фарадея трансформаторные конструкции упоминал Джозеф Генри, изобретатель электромагнитного реле. Оба не обратили внимание на преобразующие свойства прибора.
  3. В 1848 году Генрих Румкорф изобрёл катушку для получения дуги в искровом промежутке вторичной цепи. Фактически это оказался повышающий трансформатор. Подобные использовал Тесла.
  4. 30 ноября 1876 года Павел Яблочков создал стержневой трансформатор с соосными обмотками для целей, по которым прибор используется поныне.
  5. Джон и Эдуард Гопкинс в 1884 году создали трансформатор с замкнутым сердечником, повторив затею Фарадея. Несколькими годами позже Свинберн научил людей использовать для изоляции обмоток масло, чем повышался вольтаж.
  6. В 1928 году заработал Московский трансформаторный завод (позже – электрозавод).

А теперь увяжем описанное с электрическими сетями. К началу 80-х компания Эдисона уже занималась освещением, Тесла построил первый двухфазный двигатель переменного тока. Разгоревшаяся между ними вражда привела в 90-е годы к «войне токов». Вольтаж сетей начал непрерывно повышаться, пока не достиг 1,2 МВ в 1982 году на линии Экибастуз-Кокшетау. В ногу с упомянутыми достижениями шли трансформаторы, увеличиваясь в размерах.

В ходе «войны токов» Тесла обнаружил, что с повышением частоты вес трансформаторов снижается за счёт миниатюризации обмоток и сердечника. Что привело к созданию первых конструкций для высоких частот. Как известно, рассматриваемые события сопровождались рождением радиосвязи. Внедрение подобных технологий быстро привело к потребности создания сравнительно малогабаритных устройств. Импульсные трансформаторы пришли из радиотехники. К примеру, адаптеры мобильных устройств при формировании напряжений используют простейший амплитудный детектор.

Импульсные трансформаторы обычно сильно нагружены в отличие от сетевых. Подсчитано, что при напряжении 11 кВ поставщики энергии отдают ток 90 кА, а ламповый передатчик на 70 кВт – потребляет лишь 6. Из формулы мощности вычисляется, что сопротивление в первом случае составляет 0,1 Ома, во втором – 2 кОм. Эти значения определяют выходное сопротивление трансформатора. Большую роль играют масса и габариты. Потому промышленные образцы трансформаторов не годятся для электроники: назначение различается.

Материалы малогабаритных трансформаторов

Определяющие факторы

Перечисленные факторы привели к поиску и созданию новых материалов:

  • Сталь (холоднокатанная) с ориентированной доменной структурой.
  • Полимерная изоляция (включая лаковую).
  • Чистейшая радиотехническая медь.
  • Смолы, лишённые агрессивных сольвентов.
  • Электротехническая сталь с легирующими примесями.
  • Пермаллой и прочие ферриты с высоким коэффициентом магнитной проницаемости.

Благодаря этим достижениям химии, физики и технологии производства стало возможным достичь определённых целей:

  1. Уменьшить размер связных трансформаторов.
  2. Сократить объем, занимаемый высоковольтной частью.
  3. Создать фильтры с резкими фронтом и спадом амплитудно-частотной характеристики.
  4. Появление трансформаторов, специально предназначенных для передачи импульсного сигнала без потерь.
  5. Поднятие спектра пропускания до СВЧ волн.

Последние два пункта обнаруживают прямую связь. Резкие фронты импульсного сигнала обуславливают факт – значительная часть спектра лежит в районе высоких частот. И обычный трансформатор срезал бы участок, исказив форму, сгладив, с одновременной потерей энергии. В середине 50-х люди удивлялись, почему импульсные трансформаторы не строятся по подобию силовых. Ведь известны диаграммы, таблицы, формулы для вычисления сечения жилы, коэффициента мощности, вольтажа. Причины:

  1. Диапазон частот. Эффективность трансформатора на нижней рабочей частоте определяется индуктивностью холостого хода, на верхней – распределённой собственной ёмкостью. Указанные паразитные эффекты вызывают утечки энергии, сильно понижая КПД. На указанные параметры влияют: количество витков обмотки, размер сердечника, пересечение обмоток, тип изоляции и др. Высокочастотный трансформатор изготовлен с соблюдением нюансов, чтобы передавать нужный диапазон с минимальными потерями.
  2. В электронных цепях главными параметрами считаются активное и реактивное сопротивления обмоток. Иногда идут на ущемление массо-габаритных характеристик ради достижения хорошего коэффициента передачи. Конструкция сильно зависит от назначения и импеданса цепи. Заранее предсказать её, как в случае с силовыми трансформаторами, сложно.

У импульсного трансформатора чаще броневой сердечник с соосным обмотками, продетыми в окна. Это позволяет максимально передать магнитный поток. Ярмовая часть замыкает силовые линии поля, потери энергии минимальны. Боковины вдвое тоньше стержня, поток делится здесь надвое, обтекая катушки снаружи. Периодически стержневой сердечник оказывается более пригодным для решения конкретной задачи. Тогда магнитное поле циркулирует по квадрату, а обмотки надеты на противоположные стороны ферромагнетика. Сердечник, как правило, составной, встык, и катушки одеваются до стыковки половинок для упрощения технологического процесса сборки. Исполнение и степень защиты корпуса определяются климатическими факторами (влажность, температурный режим), ограничениями по габаритам, вольтажом.

Долго не удавалось понять, почему лабораторные исследования потерь перемагничивания в сердечнике не совпадают с реальными данными на высоких частотах. Оказалось, прибор для измерения характеристик создаёт постоянное поле (для увеличения КПД) и блокировки возникновения индукционных токов. Последнее становится причиной расхождений. Индукционные токи прямо влияют на ширину петли гистерезиса. Сегодня для изготовления сердечников используются электротехнические материалы с малой коэрцитивной силой. Максимальные потери отмечаются при достижении магнитной петлёй насыщения, этим ограничивается передаваемая через импульсный трансформатор мощность:

  1. Возрастают активные потери на обмотках.
  2. Малый КПД.

Форма петли гистерезиса зависит от выбранного материала. Сегодня известны сплавы с прямоугольной характеристикой. Столь необычные качества позволяют создать магнитные усилители. Мощность, передаваемая на сердечник, несёт ярко выраженный реактивный оттенок по очевидным причинам. Активная часть выражает потери в шихтованном материале. Реактивная составляющая прямо зависит от магнитной проницаемости. Холоднокатанная сталь обычно применяется для высоких частот, а сталь горячего катания обнаруживает изрядную долю примеси кремния и используется для промышленной частоты 50-60 Гц. С ростом частоты уменьшается толщина пластин (сообразно изменяются и параметры индукционных токов).

В результате потери сердечника для малогабаритных трансформаторов невелики. Основной вклад вносит омическое сопротивление обмоток. В силовых трансформаторах цифры сопоставимы по величине. Омическим сопротивлением, следовательно, ограничивается минимальное сечение жилы. Полагается выдержать заданные габариты, ведь размеры сердечника жёстко заданы. Эти два противоречивых фактора определяют экономическую целесообразность и пригодность выбранной конструкции.

Краткая характеристика сплавов сердечника

Выбор материала сердечника определяется частотой и индуктивной частью импеданса нагрузки. Холоднокатанную сталь используют там, где реактивная составляющая высока, либо присутствует необходимость пропустить через обмотки постоянный ток. В других ситуациях видится уместным никелевый сплав с большими значениями магнитной проницаемости, но меньшей допустимой плотностью потока.

Сталь, легированная кремнием, имеет наихудшие показатели, но дешёвая. Обладает коэрцитивной силой 0,5 эрстедов, при максимальной магнитной проницаемости 8500 и плотности потока 12 тысяч гауссов. Используется в малогабаритных трансформаторах низкой частоты (включая слышимый диапазон).

Холоднокатанная электротехническая сталь показывает намного лучшие показатели за счёт ориентированной структуры доменов. При равной коэрцитивной силе проницаемость возрастает вчетверо на максимальной плотности потока 17 тысяч гауссов. Служит в качестве сердечника трансформаторов средней мощности.

Ферроникелевый 50% сплав характеризуется коэрцитивной силой, близкой к нулю. Что минимизирует потери петли гистерезиса (на перемагничивание). При невысокой допустимой плотности магнитного потока (10 тысяч гауссов) материал характеризуется потрясающей магнитной проницаемостью (до 50000). Хорошо сопротивляется индукционным токам малой частоты, применяется в широкополосных малогабаритных трансформаторах.

Ферроникелевый 50% сплав с ориентированной структурой доменов используется в режиме насыщения. В сравнении с предыдущим материалом характеризуется увеличенной в полтора раза максимальной плотностью магнитного потока.

Пермаллой (высокопроцентный никелевый сплав) характеризуется большой магнитной проницаемостью в сотни тысяч единиц. Работает при малой плотности магнитного потока, что обусловливает его применение в маленьких по размерам трансформаторах.

Композитная сталь и феррит находят специфическое применение в дросселях и трансформаторах с низкими потерями для радиочастотного диапазона. Особенности производства позволяют создать цельный сердечник любой формы, с материалом низкой температуры Кюри (магнитных свойств). Ферроникелевая лента прекрасно вьётся и служит для создания цельных сердечников, в особенности тороидальной формы. Необычные качества позволяют реализовать на практике концепцию прямоугольной петли гистерезиса.

Обмотки

Считается допустимым сечение жилы 0,645 км. мм на 1 ампер. Это позволяет в первом приближении определить количество меди. Доводка производится по температурным режимам, электрическим параметрам работы трансформатора, в том числе мощности (см. рис.). Дальнейшее сильно зависит от технологических особенностей. К примеру, эмалированный провод 30 калибра, намотанный вручную имеет фактор линейности 97%, автоматизированная сборка снижает параметр до 80%. Одинаковая конструкция обладает характеристиками, зависящими от места изготовления изделия.

Плотность укладки закономерно растёт с уменьшением калибра. Из найденного сечения вычисляется средняя длина витка с целью определить его сопротивление. Конец проволоки обычно припаивается к выводу. Главное требование – низкое омическое сопротивление контакта. Толстую жилу большой мощности сложно намотать, если конец не закреплён. В качестве изоляторов применяются:

  1. Органические материалы: шёлк, смола, хлопок, лак, электротехническая бумага. Это первый вид изоляции, введённый в обиход сэром Джозефом Генри. Верхней температурой считается 105 градусов Цельсия.
  2. Ко второму классу относят стекло, керамику и их композиции со смолой. В целом материалы, дороже предыдущих. Верхний предел температуры 130 градусов Цельсия.
  3. Искусственные полимеры различного толка. Преимущественно соединения кремния. Их отличительной особенностью считается высокая термостойкость. Сюда относится и силикатная керамика. Верхний предел 200 градусов Цельсия.

Разница по классам ограничивается преимущественно рабочими температурами. А внутри – градация ведётся по индивидуальным особенностям. К примеру, стекло заведомо занимает меньше места, нежели асбест, и равное с шёлком. Керамика часто охватывает вторым слоем обёртку из иного материала, поверх находится смола для плотной укладки.

Существенная разница проявляется, когда габариты имеют первостепенное значение. Это преимущественно источники питания на 400 и 800 Гц, используемые в авиации. Тогда применяют материалы второго класса, даже если по стоимости выходит дороже. Бытовой электронный трансформатор часто имеет дешёвую изоляцию. Это обусловлено малой мощностью и требованием снижения цены. В результате авиационные блоки питания удаётся уменьшить на 30-50%.

Из сказанного теперь легко понять, почему на большинстве дорогих бытовых трансформаторов (из обыкновенной аппаратуры) указаны предельные рабочие температуры 135 градусов Цельсия (допускается кратковременное превышение над указанным выше порогом). Это предел второй, средней по стоимости, группы. Надпись ищите на предохранителе, заделанном в обмотку, внутри видеомагнитофона или плеера.

Для малогабаритных трансформаторов в начале пятидесятых параметры пришлось измерять заново. Полученные для промышленных сетевых напряжений не годились из-за разницы в частоте. Материалы первой группы не позволяют качественно изолировать провод на 50 Гц. Оставшиеся мелкие щели не удаётся замазать смолой, обмотки начинают искрить (коронный разряд). Для проверки сопротивления изоляции выполняется продолжительное испытание высоким напряжением.

Первопроходцы определяли условия теста следующим образом. Допустим, берётся образец медного провода сечением жилы 0,5 мм. Замечено, что изолированный первой группой материалов, предмет начинал искрить уже на 1250 В. Тогда снижали испытательное напряжение на 20-30% от достигнутого порога. Точность изготовления варьируется между предприятиями, в каждому случае проводится тест на коронный разряд.

Диодный мост

Двухполупериодные выпрямители, используемые в электронных трансформаторах, рассматриваются в обзоре по диодным мостам. Эта часть схемы преобразует переменное входное напряжение в униполярное. Иногда ставится фильтр для сглаживания пульсаций. Разница потенциалов выхода диодного моста используется для питания двухтактной схемы – транзисторного мультивибратора.

Мультивибраторы – генераторы импульсов

Очевидно, что для снижения массы трансформатора и помещения его в столь малый корпус требуется повысить рабочую частоту с 50 Гц до ультразвука. Конкретное значение выбирает производитель. Мультивибратор из транзисторов позволяет задать любое значение, ограничиваемое лишь имеющейся на руках элементной базой. Часто электронные трансформаторы с корпусом из стали. Это экран, препятствующий излучению высокочастотной волны в пространство.

Структурно мультивибраторы относятся к усилителям класса D (хотя бы один элемент работает в импульсном режиме). Работа в ключевом режиме требует от транзисторов известного быстродействия. В запертом состоянии ток между коллектором и эмиттером близок к нулю. Импульсный режим вдобавок повышает КПД мультивибратора. Первые устройства указанного класса описаны Генри Абрахамом в журнале Annales de Physique за 1919 год. Считается, что устройство стало предшественником цифровой техники, годом спустя появился первый триггер Экклза-Джордана.

Мультивибраторы бывают управляемыми и неуправляемыми, но все – генераторы импульсов заданной частоты, близких по форме к прямоугольной. Нагрузкой им служит малогабаритный трансформатор. В первом случае допустимо менять скважность и прочие параметры, но электронный трансформатор обычно не предоставляет подобных сложных возможностей, иначе сильно увеличивается цена.

По теории мультивибратор допустимо построить на любом типе активных элементов, но по вполне понятной причине используются транзисторы. Специфические особенности работы достигаются за счёт внедрения цепи обратной связи ёмкостного или индуктивного типа (для смещения фазы), оба активных элемента по очереди управляют друг другом.

Большего размаха колебаний достигают, используя составные транзисторы: последовательно включённые по определённой схеме. На рисунке представлена схема, где RC-цепочка с заданной постоянной времени управляет парой транзисторов, формируя импульсы заданной частоты. Это типичный электронный трансформатор на 12 В для галогенных (газоразрядных) лампочек. Выпускаются номиналы 6 и 24 В, питаемые от промышленной сети 110 или 220 В. Принцип действия представленной схемы:

  1. Входное напряжение 220 В выпрямляется диодным мостом, производя заряд конденсатора. Эта входная цепочка задаёт частоту переключения диака. Ставя подстроечный конденсатор, возможно добиться эффекта диммирования лампочек.
  2. Диак открывается и заряжает RC-цепочку второго транзистора, провоцируя начало колебаний.
  3. Диод не даёт напряжению упасть окончательно, чтобы транзистор Т2 закрылся в конце периода.
  4. На точке насыщения сердечника дросселя обратной связи транзистор выключается.

Верхняя частота переключений ограничивается только конструкцией сердечника импульсного трансформатора и переходными характеристиками транзисторов. Типичная частота переключений составляет 35 кГц. Скважность импульсов задаётся RC-цепочками на базах транзисторов. На второй схеме представлен вариант реализации защиты от короткого замыкания. Неисправные галогенные лампочки, потребляющие слишком большой ток, становятся причиной перегрева транзисторов и выхода из строя. Полупроводниковые p-n-переходы необратимо теряют свойства.

При слишком высоком потреблении включается транзистор цепи защиты, RC элементы которой задерживают срабатывание транзистора Т1. Ситуация наблюдается при розжиге дуги. Холодный катод обнаруживает малое сопротивление и легко пропускает ток. По мере прогрева металлического электрода ток снижается, и транзисторы трансформатора выходят на нормальный режим. Этим продлевается срок службы изделия. По истечении времени задержки (задаётся через Rs и Cs) устройство пробует запуститься снова, и если ток не превышает заданного значения, схема входит в нормальный режим.

Требования к транзисторам

Из-за высокого рабочего напряжения и требований к низкой стоимости транзисторы выбираются биполярные. Чтобы снизить показатели, используется полумостовая схема включения. Пиковое напряжение составляет 350 В, а при выключении входного фильтра, энергия, запасённая дросселем, выдаёт импульс амплитудой до 500 В.

Особенность полумостовой схемы: напряжение делится между двумя транзисторами. Следовательно, максимальный рабочий ток находится через выходную мощность. Для прибора на 50 Вт составит 0,64 А. Как сказано выше, при первом включении лампочек это значение порой существенно превышено (до 10 раз от номинального значения). Следовательно, через транзисторы кратковременно может течь ток до 6,5 А.

Из указанных соображений рекомендуется для электронного трансформатора мощностью 50 Вт выбирать транзисторы с максимально допустимым напряжением от 450 В и выше при токе до 7 А. О частоте сказано выше. Она зависит от параметров импульсного трансформатора и определяется постоянной времени заряда RC-цепочки. Типичное значение – 35 кГц. Слишком медленные транзисторы способны привести к срыву частоты и вводу сердечника импульсного трансформатора в режим насыщения в конце каждого цикла. Запасённая энергия будет возвращена на коллекторы в виде пика значительной высоты, что гипотетически приведёт к выходу изделия из строя.

Принцип действия резонансного трансформатора высокой частоты

Страница 5 из 41

Действующее значение напряжения, получаемое на витке при синусоидальном напряжении, определяется уравнением
(1-1)
где Ф —магнитный поток через площадь витка, гс-см;
f — частота.
Из (1-1) следует, что увеличение частоты преобразуемого напряжения приводит к повышению напряжения на зажимах трансформатора. Вместе с тем с повышением частоты возрастают потери на гистерезис и вихревые токи l· уменьшается допустимая максимальная индукция в стали магнитопровода. Например, при увеличении частоты от 50 до 500 Гц допустимая максимальная индукция в стали па дает с 10 000—14 000 гс до 5000 гс (в обоих случаях потери в стали не превышают 5 вт/кг). Если f=5 000 Гц, то допустимая максимальная индукция составляет только 600— 700 гс.

Рис. 1-32. Электрическая схема резонансного трансформатора для получения затухающих колебаний.
Тр—питающий трансформатор: R —зарядное сопротивление; К-выпрямитель; С — емкость; w обмотка низкого напряжения трансформатора.

Следовательно, возрастание частоты в 10 раз соответствует уменьшению индукции в 2—2,5 раза, что дает выигрыш в напряжении в 4—5 раз. Во втором случае магнитный поток уменьшается в 15—20 раз, а частота возрастает в 100 раз, следовательно, напряжение возрастает в 5—6 раз. Практически, если трансформатор рассчитан для работы при обычной частоте, такой способ повышения напряжения неприменим, так как это привело бы к повышению междувитковых напряжений, что может быть опасным для изоляции. Изоляцию можно рассчитать на повышенное напряжение, но тогда размеры трансформатора увеличатся, и выгода от повышения частоты будет незначительной. Нужно иметь в виду, что при повышении частоты возрастают диэлектрические потери в изоляции, которыми при низких частотах можно было пренебречь, и увеличивается роль емкостных токов и падения напряжения на индуктивности рассеяния. Это может вызывать ряд нарушений в работе установки.

Для получения предельно высоких напряжений успешно применяются специальные высокочастотные трансформаторы. В этих трансформаторах решающую роль играют резонансные явления. В большинстве случаев стальной сердечник в них отсутствует. В этом случае произведение fS·В=fSμH, определяющее величину напряжения, приходящуюся на один виток, благодаря большому значению частоты f даже при μ=1 может остаться достаточно большим. Резонансные трансформаторы часто применяются для питания ускорительных трубок.
Для получения затухающих колебаний высокого напряжения служит резонансный трансформатор Тесла.
На рис. 1-32 приведена схема резонансного трансформатора на высокое напряжение, работающего при высокой частоте. Конденсатор С заряжается от трансформатора Тр через вентиль К до напряжения, равного пробивному напряжению искрового разрядника Р, включенного в первичный контур. При пробое искрового разрядника P1 в контуре возникает колебательный ток высокой частоты. Величина произведения RC первичного контура определяет частоту пробоев и получающихся при этом серий колебаний. Колебательный разряд, возникающий в искровом промежутке Р при его пробое, возбуждает электрические колебания в обеих катушках.


Рис. 1-33. Форма кривой напряжения при ударном возбуждении резонансного трансформатора. Верхняя кривая относится к первичному, а нижняя — к вторичному контуру.

Колебания в контуре, образовавшемся после пробоя искрового промежутка вследствие большого сопротивления искры, быстро затухают; колебания во вторичном контуре затухают гораздо медленнее.
Графическое изображение изменения напряжения при ударном возбуждении контуров показано на рис. 1-33, где верхняя кривая относится к первичному контуру, а нижняя — к вторичному.
Напряжение на вторичной катушке резонансного трансформатора зависит от напряжения первичного контура, отношения числа витков вторичной катушки w2 к числу витков первичной, настройки обоих контуров, степени связи между ними и затухания колебаний. От этих же величин зависит и форма кривой напряжения.
Уравнения для определения напряжений в двух связанных контурах, схема которых представлена на рис. 1-34, в общем виде можно записать следующим образом:

Величина коэффициента связи, соответствующая условию
(1-17) называется критической kкр. При A>1 (k>kкр) связь называют сильной, а при—слабой.

Рис. 1-35. Форма кривой напряжения во вторичной обмотке резонансного трансформатора при сильной и слабой связи контура, а —первичное напряжение; б —вторичное напряжение.

При слабой связи в контурах резонансного трансформатора после каждой искры возникают колебания с частотой ω0. При сильной связи вследствие одновременного существования двух частот возникают биения.
На рис. 1-35 изображены формы кривой напряжения во вторичной обмотке при сильной и слабой связи. Форма кривой напряжения при наличии биений непригодна для испытания изоляции. Коэффициент связи обычно меняют путем перемещения первичной обмотки относительно вторичной, а затухание — включением специальных демпфирующих сопротивлений в первичную цепь.
Л. А. Мысовский и другие построили масляный резонансный трансформатор, дававший напряжение 2 500 кВ.

Резонансный трансформатор весьма успешно применялся для опытов по получению длинных искр и для испытания изоляторов сильно затухающим напряжением высокой частоты.
Для уменьшения затухания в первичном контуре, что имеет большое значение для получения очень высокого напряжения, берут малое число витков большого диаметра.
В противоположном случае, когда затухание в первичном контуре велико, во вторичном контуре также получаются сильно затухающие высокочастотные колебания высокого напряжения. Таким путем можно воспроизвести формы волн при внутренних перенапряжениях в электрических установках.
Для построения высокочастотных трансформаторов значительный интерес представляют ферриты, обладающие при высокой частоте малыми потерями и большим значением магнитной проницаемости. Применение сердечников из таких материалов позволит значительно уменьшить размеры трансформатора высокого напряжения.
В резонансном трансформаторе можно возбуждать незатухающие колебания с помощью генератора переменного тока.
Учитывая, что в этом случае в системе будет иметь место установившийся режим, воспользуемся для нахождения напряжения на емкости вторичного контура символическим методом. Уравнения для связанных контуров, схема замещения которых представлена на рис. 1-36, запишем в виде:
(1-18)
где
Напряжение на емкости С2 вычислим для случая, когда R1 <<wL1 и R2<<wL2, т. е. когда и R1 малы и ими можно пренебречь. В этом случае уравнения (1-18) примут вид:
(1-19)

Первому условию соответствует так называемый первый частный резонанс, возникающий при настройке только первого контура в резонанс с частотой генератора.
Второй частный резонанс (ω2=ω) имеет место при настройке только второго контура в резонанс с частотой генератора. При

ω1=ω2=ω возникает полный резонанс. Это наиболее важный для практики случай.
Из (1-23) следует, что величина напряжения U2 во всех трех случаях одинакова. Однако, как показывает анализ с учетом сопротивлений R1 и R2, не приводимый здесь ввиду сложности, это равенство имеет место при малой связи между контурами. При увеличении связи до критической (A=1) напряжение U2 получится наибольшим при полном резонансе.
Для получения полного резонанса нужно настроить каждый контур в отдельности на частоту генератора, после чего подобрать оптимальную связь. Если конструкция трансформатора позволяет регулировать связь, то первоначальную настройку каждого из контуров можно производить при очень слабой связи, не нарушая схемы.
Резонансный трансформатор с питанием от высокочастотного генератора был предложен для получения жестких рентгеновских лучей Мысовским и Рукавишниковым в 1922 г.
На рис. 1-37 приведена электрическая схема резонансного трансформатора, питаемого генератором высокой частоты, разработанного в США.
Мощный ламповый генератор посылает колебания высокой частоты через первичную одновитковую катушку в связанную с ней вторичную, имеющую десять витков. Обе катушки сделаны из медной трубы. Вторичная обмотка подобрана таким образом, что при частоте 6·106 Гц вдоль нее укладывается четверть волны. На заземленном конце обмотки получается узел, а на свободном конце — пучность напряжения, которое будет изменяться между положительным и отрицательным максимальным значениями. В стенку кожуха, в котором помещены обе обмотки, против свободного конца обмотки введена накаливаемая нить. Работающий насос поддерживает необходимый вакуум в кожухе. В тот момент, когда нижний конец катушки будет положительным, направленный пучок электронов, идущий от накаленной нити, ударяясь об антикатод, будет вызывать возникновение рентгеновских лучей. Кожух изготовлен из свинца, и в нем имеется отверстие для выхода рентгеновских лучей. Вес кожуха 1 000 кг.
В установке Слоана (1935 г.) при мощности питающего лампового генератора мощностью 70 кВт было получено на обмотке высокого напряжения до 600 кВ. Длина волны; даваемая генератором, равнялась 50 м.

Ток в пучке ускоряемых электронов достигал 5 мА. В другом случае (Снелл и Ливингуд, 1935) были достигнуты напряжение до 850 кВ и ток 0,3 мА.

Как работают импульсные блоки питания: 7 правил

Домашний мастер часто сталкивается с поломками сложной бытовой техники из-за отказов ее электрической схемы. Не всегда удается сразу выполнить такой ремонт. Часто требуются знания про импульсные блоки питания, принципы работы их составных частей.

Такие работники популярны, всегда востребованы, заслуживают уважения. Однако не все так сложно в этом вопросе, как кажется на первый взгляд.

Я выделил 7 правил, по которым работает любой ИБП, постарался объяснить их простыми словами для новичков. А что получилось — оценивайте сами.

Содержание статьи

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает гальваническую развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи.

Трансформаторные модули тратят значительную часть мощности на электромагнитные преобразования и нагрев, имеют повышенные габариты, вес.

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

Правило №1 всех ИБП: чем выше рабочая частота, тем лучше. Преобразование электроэнергии выполняется не на промышленных 50 герц, а на более высоких сигналах в пределах 1÷100кГц.

За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.

Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора
в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной
выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

  1. в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
  2. импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

  • апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
  • работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
  • последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Правило №3: после выхода с фильтра напряжение подается на схему выпрямителя, состоящего в базовой версии из диодного моста и электролитического конденсатора.

В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Правило №4: выпрямленный сигнал подвергается широтно-импульсной модуляции на силовом ключе под управлением ШИМ контроллера.

Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.

На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.

Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).

Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.

ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.

Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.

За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Правило №5: импульсный трансформатор для блока питания передает каждый ШИМ импульс за счет двух преобразований электромагнитной энергии.

Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.

Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.

Его энергия расходуется:

  1. вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
  2. затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.

По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.

Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.

Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.

В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.

При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.

Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.

Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.

Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.

Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.

Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.

Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.

Продлить ресурс работы электролитических конденсаторов в ИБП можно заменой одного большой мощности несколькими составными. Ток будет распределяться по всем, что вызовет меньший нагрев. А отвод тепла с каждого отдельного происходит лучше.

Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.

Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.

Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.

Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.

В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:

  • уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
  • и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:

  • полумостовому;
  • мостовому;
  • или пушпульному принципу построения выходного каскада.

Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор

Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.

К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.

Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.

Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение

Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).

Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.

Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.

Пушпульная схема: важные особенности

Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.

Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.

Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.

К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.

Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.

Выходной выпрямитель: самое популярное устройство

Правило №6: сигнал, поступающий с выхода ИБП, выпрямляется и сглаживается.

Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.

Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.

Схема стабилизации напряжения: как работает

Правило №7: оптимальные условия для работы нагрузки при изменяющихся условиях эксплуатации обеспечивает принцип стабилизации вторичного напряжения.

Самая примитивная схема стабилизации выходного напряжения создается на дополнительной обмотке импульсного трансформатора.

С нее снимается напряжение и подается для корректировки величины сигнала первичной обмотки.

Лучшая стабилизация создается за счет контроля выходного сигнала с вторичной обмотки и отделения его гальванической связи через оптопару.

В ней используется светодиод, через который проходит ток, пропорциональный значению выходного напряжения. Его свечение воспринимается фототранзистором, который посылает соответствующий электрический сигнал на схему управления генератора ключевого каскада.

Повысить качество стабилизации выходного напряжения позволяет последовательное дополнение к оптопаре стабилитрона, как показано на примере микросхемы TL431 на картинке ниже.

Для закрепления материала в памяти рекомендую посмотреть видеоролик владельца Паяльник TV, который хорошо объясняет информацию про импульсные блоки питания: принципы работы на примере конкретной модели.

Надеюсь, что моя статья поможет вам выполнить ремонт ИБП своими руками за 7 шагов, которые я изложил в другой статье.

Задавайте возникшие вопросы в разделе комментариев, высказывайте свое мнение. Его будет полезно знать другим людям.

Импульсный трансформатор

- Принципы работы

Магнитный поток в типичном сердечнике трансформатора переменного тока чередуется между положительными и отрицательными значениями. Магнитного потока в типичном импульсном трансформаторе нет. Типичный импульсный трансформатор работает в униполярном режиме (плотность потока может совпадать, но не переходить ноль).

Фиксированный постоянный ток можно использовать для создания смещающего постоянного магнитного поля в сердечнике трансформатора, тем самым заставляя поле пересекать нулевую линию.Импульсные трансформаторы обычно (не всегда) работают на высокой частоте, что требует использования сердечников с низкими потерями (обычно ферритов).

На рисунке 1A показана электрическая схема импульсного трансформатора. На рисунке 1B показано эквивалентное представление высокочастотной схемы трансформатора, применимое к импульсным трансформаторам. Схема рассматривает паразитные элементы, индуктивности рассеяния и емкость обмотки как элементы с сосредоточенными параметрами, но на самом деле они являются распределенными элементами. Импульсные трансформаторы можно разделить на два основных типа: силовые и сигнальные.

Примером применения силового импульсного трансформатора может быть точное управление нагревательным элементом от постоянного источника постоянного напряжения. Напряжение может повышаться или понижаться в зависимости от коэффициента трансформации импульсного трансформатора. Питание импульсного трансформатора включается и выключается с помощью переключателя (или переключающего устройства) с рабочей частотой и длительностью импульса, которые обеспечивают необходимое количество мощности. Следовательно, температура также контролируется. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом.Трансформаторы, используемые в источниках питания прямого преобразователя, в основном представляют собой импульсные трансформаторы силового типа. Существуют конструкции мощных импульсных трансформаторов, мощность которых превышает 500 киловатт.

Конструкция импульсного трансформатора сигнального типа ориентирована на выдачу сигнала на выходе. Трансформатор выдает импульсный сигнал или серию импульсов. Коэффициент трансформации импульсного трансформатора можно использовать для регулировки амплитуды сигнала и обеспечения согласования импеданса между источником и нагрузкой.Импульсные трансформаторы часто используются при передаче цифровых данных и в схемах управления затвором транзисторов, полевых транзисторов, тиристоров и т.д. В последнем случае импульсные трансформаторы могут называться «затворными трансформаторами» или трансформаторами затворов €. Импульсные трансформаторы сигнального типа работают с относительно низкими уровнями мощности. Для передачи цифровых данных трансформаторы сконструированы таким образом, чтобы минимизировать искажение сигнала. Трансформаторы могут работать с постоянным током смещения. Многие импульсные трансформаторы сигналов также относятся к широкополосным трансформаторам.Импульсные трансформаторы сигнального типа часто используются в системах связи и цифровых сетях.

Конструкции импульсных трансформаторов сильно различаются по номинальной мощности, индуктивности, уровню напряжения (от низкого к высокому), рабочей частоте, размеру, сопротивлению, полосе пропускания (частотная характеристика), упаковке, емкости обмотки и другим параметрам. Разработчики стараются минимизировать паразитные элементы, такие как индуктивность рассеяния и емкость обмотки, используя конфигурации обмоток, которые оптимизируют связь между обмотками.

Butler Winding может изготавливать (и уже производила) импульсные трансформаторы самых разных форм и размеров. Это включает в себя; различные стандартные типы сердечника со структурой бобины (E, EP, EFD, PQ, POT, U и другие), тороиды и некоторые нестандартные конструкции. Наши верхние пределы - 40 фунтов веса и 2 киловатта мощности. У нас есть опыт работы с обмотками из фольги, обмоток из тонкой проволоки и безупречной многослойности. Для тороидов мы можем (и уже сделали) секторную обмотку, обмотку с прогрессивной обмоткой, обмотку с намоткой и намотку с прогрессивной обмоткой.Обмотка Батлера имеет множество намоточных машин, бобин / трубку и тороид. Сюда входят две программируемые автоматизированные машины и машина для заклейки тороидов. Обмотка Батлера имеет вакуумную камеру (камеры) для вакуумной пропитки, а также может герметизировать. Для обеспечения качества компания Butler Winding приобрела две программируемые автоматизированные испытательные машины. Большая часть нашей продукции проходит 100% тестирование на этих машинах.

Руководство по выбору импульсных трансформаторов | Инженерное дело360

Импульсные трансформаторы служат для сопряжения цепи формирования импульсов (PFN) и нагрузки.Они согласовывают импеданс нагрузки с PFN, чтобы максимизировать эффективность передачи мощности. Сети формирования импульсов (PFN) собирают электрическую энергию в течение относительно длительного периода времени, а затем быстро высвобождают эту накопленную энергию в виде короткого импульса относительно прямоугольной формы. Обычно приложения, в которых используются импульсные трансформаторы, имеют выходной импульс, пиковая мощность которого измеряется в мегаваттах (МВт) или тераваттах (ТВт). Часто комбинацию источника высокого напряжения, переключателя высокого напряжения, PFN и импульсного трансформатора называют силовым модулятором или генератором импульсов.Технологии, в которых используются импульсные трансформаторы, включают радары, медицинское оборудование и лазерные системы.

Типы

Существует два основных типа импульсных трансформаторов: силовые и сигнальные. Силовые трансформаторы преобразуют напряжения уровня мощности из одного уровня или конфигурации фазы в другой. Они доступны в однофазной или трехфазной первичной конфигурации и различаются способом подключения обмотки. Трансформаторы сигналов - это импульсные трансформаторы, которые используют электромагнитную индукцию для передачи информации от одной цепи к другой.Часто они используются для увеличения или уменьшения напряжения с одной стороны силового трансформатора на другую. В сигнальных трансформаторах соотношение витков числа обмоток определяет изменение напряжения.

Импульсные трансформаторы имеют сердечники с низкими потерями и предназначены для работы на высоких частотах. Чтобы свести к минимуму паразитные элементы, такие как индуктивность рассеяния и емкость обмотки, конфигурация обмотки предназначена для оптимизации связи. Технические характеристики импульсных трансформаторов включают диапазон, частоту повторения, ширину импульса, ток, входное напряжение, выходное напряжение, частоту, рабочий цикл и физические размеры, такие как длина, ширина и высота.Частота или частота повторения импульсов - это среднее количество импульсов в единицу времени (обычно секунды) в течение определенного периода. Ширина импульса или длина импульса - это интервал между первым и последним случаями, когда эта мгновенная амплитуда достигает заданной доли пиковой амплитуды импульса.

Сертификаты и спецификации

Импульсные трансформаторы различаются допусками. Некоторые продукты имеют товарные знаки Канадской ассоциации стандартов (CSA) или Underwriters Laboratories (UL).Другие соответствуют стандартам или спецификациям Международной электротехнической комиссии. Импульсные трансформаторы, которые продаются в Европе, должны соответствовать Директивам Европейского Союза (ЕС), таким как Ограничение использования опасных веществ (RoHS) и Отходы электрического и электронного оборудования (WEEE). Также доступны импульсные трансформаторы с маркировкой национальных европейских организаций, таких как VDE.


Импульсные и приводные трансформаторы

Назначение
Импульсные трансформаторы используются в высокочастотных преобразователях мощности, когда требуется передать электрический импульс от блока управления к силовому каскаду, сохраняя гальваническую развязку между цепями, в соответствии со стандартами безопасности, относящимися к каждому конкретному применению. поля.
Электрический сигнал подается на первичную сторону и передается на вторичную сторону для включения силовых BJT, силовых MOSFET, IGBT, SCR, GTO, TRIAC.

Характеристики
В системах высокочастотного преобразования энергии доступно несколько методов управления, которые отличаются друг от друга параметрами ударного устройства, такими как номинальная мощность, номинальные напряжения и токи, область применения.
После того, как разработчик выбрал топологию запуска для своего приложения, он имеет возможность найти наиболее подходящий импульсный трансформатор, учитывая его основные параметры.
Основные характеристики импульсного трансформатора следующие:

  • n Соотношение витков первичной и вторичной обмоток
  • Вт минимальное напряжение * временная область (называемая зоной передачи), которая может передаваться на вторичной стороне с униполярным импульсом, не вызывая насыщения сердечника, при температуре 25 ° C
  • L P Индуктивность первичной обмотки
  • C k емкость связи между обмотками
  • L s Индуктивность рассеяния первичной обмотки, это значение индуктивности, измеренное на первичной стороне с короткозамкнутой вторичной обмоткой
  • R P Сопротивление первичной обмотки
  • R S Сопротивление вторичной обмотки
  • t r Время нарастания, это время, необходимое для передачи импульса, когда номинальное сопротивление нагрузки подключено на вторичной стороне; это значение тесно связано со значением индуктивности рассеяния
  • I max максимальный вторичный ток, доступный со временем нарастания, равным tr (номинальное сопротивление нагрузки, подключенное к вторичной обмотке)
  • I p номинальный эффективный первичный ток (тепловой ток)
  • f n номинальная рабочая частота (или оптимальный диапазон частот)
  • U - максимальное рабочее напряжение между двумя обмотками
  • U p напряжение изоляции между двумя обмотками

Импульсные трансформаторы Sirio классифицируются по размерам и производственным профилям и сгруппированы по семействам.Доступны некоторые стандартные импульсные и приводные трансформаторы, они перечислены по семействам. Их можно использовать для многих приложений, но, поскольку возможностей решения очень много, иногда необходимо разработать собственный продукт (см. Лист Custom Design). Просматривая стандартную таблицу кодов, легко понять общие характеристики каждого типоразмера импульсного / приводного трансформатора.

Строительство, виды и применение

Импульсный трансформатор также известен как триггерный трансформатор, трансформатор управления затвором, трансформатор затвора, сигнальный трансформатор (или) широкополосный трансформатор в некоторых приложениях, a.Основная функция этого трансформатора - передача импульсов напряжения между обмотками и нагрузкой. Эти трансформаторы используются для гальванической развязки (передачи сигналов), схем управления малой мощностью и основных компонентов, используемых в мощных импульсных источниках питания. Используя этот трансформатор, можно изменять амплитуду импульса напряжения; полярность импульса можно инвертировать, соединяя различные каскады в импульсном усилителе и развязывающем трансформаторе.

Что такое импульсный трансформатор?

Определение: Трансформатор, улучшенный для генерации электрических импульсов с высокой скоростью, а также стабильной амплитудой, известен как импульсный трансформатор.Они регулярно используются при передаче цифровой информации, а также в транзисторах, в основном в схемах управления затвором.
Идеальный трансформатор должен иметь гальваническую развязку и распределенную емкость. Для защиты цепи емкость с низкой связью также жизненно важна для защиты цепи.

импульсный трансформатор

Типы сигналов импульсных трансформаторов варьируются от дополнительных логических приводов до линий передачи. Эти трансформаторы работают с меньшими порогами мощности.Некоторые такие трансформаторы служат как широкополосные трансформаторы. Для типов трансформаторов с цифровой передачей данных они усовершенствованы, чтобы уменьшить искажения сигнала.

Соответствие сигнала и частотный диапазон можно определить по внешним характеристикам, таким как межобмоточная емкость, индивидуальная емкость каждой обмотки, а также сопротивление.

Негативные эффекты этих характеристик приведут к спаду, перерегулированию, обратному ходу и времени спада, а также к задержке подъема. Таким образом, импульсные трансформаторы проектируются на основе индуктивности, рабочей частоты, классов мощности, номинального напряжения, размера, диапазона частот, сопротивления и емкости обмотки.

Типы импульсных трансформаторов

Эти трансформаторы делятся на два типа, например:

  • Силовой импульсный трансформатор
  • Трансформатор импульсов сигнала
1). Силовой импульсный трансформатор

Эти трансформаторы изменяют напряжение с уровня мощности (одна конфигурация уровня / фазы) на другой. Конфигурации этих трансформаторов доступны в однофазном или трехфазном исполнении и различаются в зависимости от способа подключения обмотки.

2).Сигнальный импульсный трансформатор

Эти трансформаторы представляют собой один из видов импульсных трансформаторов, в которых используется электромагнитная индукция для передачи информации одной цепи в другую. Они регулярно используются для повышения или понижения напряжения в силовом трансформаторе с одной поверхности на другую. Используя сигнальные трансформаторы, нет. передаточного числа обмоток решает изменить напряжение.

Эти трансформаторы содержат сердечники с низкими потерями, предназначенные для работы на высоких частотах. Паразитные элементы, такие как емкость обмотки и индуктивность рассеяния, можно уменьшить, разработав конфигурацию обмотки, чтобы можно было улучшить связь.

Технические характеристики

Эти трансформаторы в основном включают технические характеристики, такие как частота повторения, рабочий цикл, ширина импульса, диапазон, напряжение ввода / вывода, ток, частота и физические размеры, такие как длина (L), ширина (W) и высота (H).

Частота следования импульсов стандартная №. импульсов за каждую единицу времени в конкретный период. Ширина импульса - это период между первичным и последним случаями, когда мгновенная амплитуда достигает определенной доли пиковой амплитуды импульса.

Строительство

Конструкция трансформатора тороидальной формы показана ниже. Основная задача этого трансформатора - генерировать импульс для полупроводниковых устройств, а также обеспечивать электрическую изоляцию.

Конструкция импульсного трансформатора

На рисунке выше показан трансформатор тороидальной формы. Он включает в себя две обмотки: первичную и вторичную. Каждая обмотка включает в себя равное количество оборотов, поэтому любая из них может работать как первичная, иначе вторичная.

Импульс на тиристор может подаваться через 1: 1, иначе импульсный трансформатор 1: 1: 1, а импульс на непрерывный тиристор может подаваться через трехобмоточный трансформатор. На приведенном выше рисунке резистор (R) должен останавливать ток удержания кремниевого управляемого выпрямителя. Основная функция диода в схеме - избежать реверсивного тока затвора. Импульсный трансформатор 1: 1: 1 в основном используется для создания импульса для непрерывного тиристора.

Эта конструкция трансформатора обсуждалась выше.После завершения проектирования КПД трансформатора должен быть высоким. Индуктивность первичной обмотки трансформатора должна быть высокой для уменьшения тока намагничивания. Постоянный ток подается через главную обмотку трансформатора, чтобы избежать насыщения сердечника. Между обмотками должна быть изоляция, чтобы защитить обмотку от насыщения. Требуется фиксированная связь между двумя обмотками. Паразитный сигнал дает полосу во время межфазной емкости на высокой частоте.

Преимущества и недостатки импульсного трансформатора

К достоинствам этого трансформатора можно отнести следующее.

  • Малый размер
  • Стоимость меньше
  • Работает на высокой частоте
  • Высокое напряжение изоляции

К недостаткам данного трансформатора можно отнести следующее.

  • На низкой частоте первичная и вторичная формы сигналов отличаются друг от друга.
  • Ток насыщения сердечника может быть уменьшен за счет постоянного тока через первичную обмотку.

Импульсный трансформатор

  • Использование этого трансформатора включает следующее.
  • Сигнальные импульсные трансформаторы применяются в телекоммуникационных, цифровых схемах
  • Силовые импульсные трансформаторы используются для изоляции силовых цепей от цепи управления.
  • Высоковольтные импульсные трансформаторы используются в радиолокационных устройствах и в системах импульсного питания.
  • Силовая электроника
  • Радары
  • Цифровая электроника
  • Связь

Таким образом, все дело в импульсном трансформаторе, который используется для оцифровки компьютеров, измерения устройств, а также для импульсной связи.Некоторые виды трансформаторов используются в сфере электроснабжения, чтобы сделать частую границу между низковольтным управлением схемами и высоковольтными затворами в силовых полупроводниках. Вот вам вопрос, каковы принципы работы импульсного трансформатора ?

Испытательный импульсный трансформатор с осциллографом

Импульсные трансформаторы немного отличаются от обычных трансформаторов переменного тока. В трансформаторах переменного тока магнитный поток в сердечнике чередуется между отрицательными и положительными значениями, тогда как в импульсных трансформаторах магнитный поток является униполярным.Импульсные трансформаторы используются в телевизорах, блоках питания компьютеров. Если вам нужно проверить импульсный трансформатор, это может быть практически невозможно сделать с помощью омметра, даже цифрового, потому что обмотки импульсных трансформаторов имеют скудное активное сопротивление, за исключением высоковольтных.

Один из способов проверки - измерить индуктивность обмоток и сравнить их со значениями, указанными в технических характеристиках. Тем не менее, не у всех есть возможность измерить индуктивность, и не всегда у вас есть возможность изменить характеристики поблизости.Таким образом, есть другой способ проверки импульсных трансформаторов, который может быть приемлем почти для каждого радиолюбителя, с использованием низкочастотного генератора, работающего на резонансной частоте контура, состоящего из внешнего конденсатора и обмотки импульсного трансформатора.

Для этого вам даже не понадобится отдельный генератор частоты, как обычно, это встроенный осциллограф для калибровки. Обычно этот генератор работает на частоте 1… 2 кГц. Но опять же, проверка и поиск резонанса не всегда удобны.Так что другой способ проще. Подключите трансформатор к генератору следующим образом:

В этом случае вы должны измерить сигнал в контрольной точке (TP). Дифференцированный сигнал на обмотке должен иметь амплитуду, близкую к амплитуде генератора сигналов. Тогда импульсный трансформатор можно считать исправным; в противном случае, если нет импульсов, возможно, что по крайней мере одна обмотка замкнута накоротко.

Может случиться так, что амплитуда измеренного сигнала очень мала по сравнению с амплитудой сигнала источника.Это тоже результат короткого замыкания в одной из обмоток.

Такой метод проверки удобен тем, что можно проверять импульсные трансформаторы, не вынимая их из цепи. Отсоедините или отпаяйте один вывод первичной обмотки и подключите его к калибровочному генератору осциллографа. По измеренным сигналам вы можете диагностировать неисправности, такие как отказ диода, подключенного к вторичной обмотке, или просто короткое замыкание обмоток из-за перегрева и так далее.

Закладка.

Высоковольтные импульсные трансформаторы с воздушным сердечником (Технический отчет)

Рохвайн, Г. Дж. Высоковольтные импульсные трансформаторы с воздушным сердечником . США: Н. П., 1981. Интернет. DOI: 10.2172 / 6165455.

Рохвайн, Г. Дж. Высоковольтные импульсные трансформаторы с воздушным сердечником . Соединенные Штаты. https: // doi.org / 10.2172 / 6165455

Рохвайн, Дж. Дж. Сб. «Высоковольтные импульсные трансформаторы с воздушным сердечником». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/6165455. https://www.osti.gov/servlets/purl/6165455.

@article {osti_6165455,
title = {Высоковольтные импульсные трансформаторы с воздушным сердечником},
author = {Rohwein, G J},
abstractNote = {Высоковольтные импульсные трансформаторы с воздушным сердечником лучше всего подходят для приложений, выходящих за пределы нормальных диапазонов обычных трансформаторов с магнитным сердечником.Как правило, они включают перенос заряда на высоких уровнях мощности и быструю генерацию импульсов со сравнительно низкой энергией. При правильном проектировании и изготовлении они способны обеспечить высокую эффективность передачи энергии и продемонстрировать превосходную стойкость к высоким напряжениям. Описаны общие типы, предназначенные для генерации импульсов высокого напряжения и передачи энергии. Особое внимание уделяется импульсным системам зарядки, работающим в диапазоне до нескольких мегавольт. (WHK)},
doi = {10.2172/6165455},
url = {https://www.osti.gov/biblio/6165455}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1981},
месяц = ​​{8}
}

Как спроектировать и рассчитать высокочастотный трансформатор?

Введение

Трансформатор - это пассивное электрическое устройство, которое передает электрическую энергию от одной электрической цепи к другой или нескольким схемам.Его ток передачи - переменный ток. Трансформатор обычно используется для увеличения или уменьшения подачи. В качестве одного из типов высокочастотные трансформаторы используют частоты от 20 кГц до более 1 МГц. В этой статье рассказывается о процессе проектирования высокочастотных трансформаторов (HFT), то есть как рассчитать высокочастотный трансформатор?

Как сделать высокочастотный трансформатор?

Каталог


Ⅰ Сердечник трансформатора

В реальных трансформаторах две катушки намотаны на один и тот же железный сердечник.Сердечник трансформатора обеспечивает магнитный путь для направления потока. Использование высокопроницаемого материала (который описывает способность материала переносить флюс), а также более совершенные методы изготовления сердечника помогают обеспечить желаемый путь потока с низким сопротивлением и ограничить линии потока к сердечнику. Ниже представлены некоторые важные аспекты сердечника трансформатора.

1.1 Материал магнитного сердечника

Какой материал лучше всего подходит для сердечника высокочастотного трансформатора? Мягкий феррит широко используется в импульсных источниках питания благодаря своим характеристикам.Его преимуществами являются высокое сопротивление, низкие потери на вихревые токи переменного тока, низкая цена и простота обработки в различных формах. Он также имеет недостатки, в том числе низкую рабочую плотность магнитного потока, низкую проницаемость, большую магнитострикцию и относительно чувствительность к изменениям температуры. Выбор подходящих материалов может полностью удовлетворить требования к конструкции высокочастотных трансформаторов, и они имеют идеальные характеристики и ценовое преимущество.

1.2 Структура сердечника

Сердечник трансформатора как основная часть, факторы, которые следует учитывать при выборе структуры магнитного сердечника, включают: уменьшение магнитной утечки и индуктивности рассеяния, увеличение расстояния отвода тепла катушки, что способствует экранированию, простота обмотка катушки, удобная сборка и разводка.Магнитная утечка и индуктивность рассеяния напрямую связаны со структурой сердечника. Если магнитный сердечник не требует воздушного зазора, лучше использовать замкнутый магнитопровод кольцевой или квадратной формы.

1.3 Параметры сердечника

При разработке параметров магнитного сердечника особое внимание следует уделять плотности магнитного потока при работе, ограниченной не только кривой намагничивания, но также потерями и рабочим режимом передачи энергии. Когда магнитный поток изменяется в одном направлении: ΔB = Bs-Br, что ограничивается не только плотностью магнитного потока насыщения, но также, главным образом, потерями (потеря вызывает повышение температуры, влияющее на плотность магнитного потока).Рабочая плотность магнитного потока Bm = 0,6 ~ 0,7ΔB.
Открытие воздушного зазора может уменьшить Br, чтобы увеличить значение изменения плотности магнитного потока ΔB. После этого ток возбуждения увеличивается, но объем магнитопровода можно уменьшить. Для работы магнитного потока в двух направлениях: ΔB = 2Bm. В этом случае также необходимо обратить внимание на то, что вольт-секундная область положительных и отрицательных изменений возбуждения не равна по разным причинам, и возникает проблема смещения постоянного тока. Поэтому к магнитному сердечнику можно добавить небольшой воздушный зазор или в конструкцию схемы можно добавить блокирующий конденсатор постоянного тока.

1.4 Параметры катушки

Параметры катушки включают количество витков, сечение (диаметр) провода, форму провода, расположение обмоток и расположение изоляции.
Диаметр проволоки определяется плотностью тока обмотки. Обычно J составляет 2,5 4 А / мм2. При выборе диаметра проволоки следует учитывать скин-эффект. При необходимости внесите корректировки после проверки превышения температуры трансформатора.

1,5 витка катушки

Обычно используемое расположение обмоток: первичная обмотка расположена близко к магнитному сердечнику, а обмотка обратной связи вторичной обмотки постепенно выходит наружу.Рекомендуется два расположения обмоток:
1) Если напряжение первичной обмотки высокое, а напряжение вторичной обмотки низкое, вторичную обмотку можно использовать близко к магнитному сердечнику, а затем следует обмотка обратной связи и Первичная обмотка находится в самом дальнем конце, что выгодно для первичной обмотки по отношению к магнитному сердечнику. Устройство изоляции.
2) Чтобы увеличить связь между первичной и вторичной обмотками, половина первичных обмоток может быть близко к сердечнику, затем обмотка обратной связи и вторичные обмотки, а другая половина первичных обмоток во внешнем слое, что значительно снизит индуктивность рассеяния. .

1.6 Конструкция сборки

Конструкция сборки высокочастотного силового трансформатора делится на два типа: горизонтальная и вертикальная. При использовании плоских магнитных сердечников, чиповых магнитных сердечников и тонкопленочных магнитных сердечников все они имеют горизонтальную структуру сборки.

1.7 Проверка превышения температуры

Проверка превышения температуры может быть выполнена путем расчетов и испытаний образцов. Экспериментальное превышение температуры ниже допустимого превышения температуры более чем на 15 градусов, что увеличивает плотность тока и соответственно уменьшает сечение провода.Если она превышает допустимое превышение температуры, соответственно уменьшите плотность тока и увеличьте сечение провода. Например, увеличьте площадь рассеивания тепла магнитопровода и диаметр провода.

Символ трансформатора

Ⅱ Типы высокочастотных трансформаторов

2.1 Классификация трансформаторов

Силовые трансформаторы делятся на три категории в зависимости от топологии:
(1) Обратный трансформатор
(2) Прямой трансформатор
(3) Двухтактный трансформатор (в полном мосту / полумосте)
Подходящая топологическая структура структуры магнитопровода показана в следующей таблице:

Основная структура

Тип цепи трансформатора

Обратный ход Тип

Тип переадресации

Двухтактный Тип

E ядер

+

+

0

Ядра Planar E

+

0

Ядра EFD

+

+

Ядра ETD

0

+

+

Ядра ER

0

+

+

U Ядра

+

0

0

Ядра RM

0

+

0

EP Сердечники

+

0

P Ядра

+

0

Кольцевые сердечники

+

+


Примечания: « + » = Соответствующий « 0 » = Нормальный « - » = Нет

2.2 Правила проектирования

1) Если катушка индуктивности фильтра постоянного тока и сердечник катушки индуктивности работают только в одном квадранте, индукторы, принадлежащие к этому типу, включают повышающие индукторы, понижающие индуктивности, понижающие / повышающие индукторы, прямолинейные и двухтактные фильтрующие индукторы трансформатора, и несимметричные трансформаторы.
2) Магнитный сердечник переднего трансформатора работает только в одном квадранте, поэтому трансформатор необходимо сбросить с помощью магнитного поля.
3) Магнитный сердечник двухтактного трансформатора имеет двунаправленное переменное намагничивание.Преобразователи, относящиеся к этой категории, включают двухтактные преобразователи, полумостовые и полномостовые преобразователи, а также катушки индуктивности фильтров переменного тока.

Ⅲ Выбор сердечника трансформатора

1) Мягкий феррит широко используется в импульсных источниках питания из-за его низкой цены, хорошей адаптируемости и высокочастотных характеристик.
2) Мягкие ферриты бывают двух серий: феррит марганец-цинк и феррит никель-цинк. Составляющими марганцево-цинкового феррита являются Fe2O3, MnCO3 и ZnO.Он в основном используется в различных фильтрах ниже 1 МГц, катушках индуктивности, трансформаторах и т. Д. С широким спектром применений. Компонентами никель-цинкового феррита являются Fe2O3, NiO, ZnO и т. Д., Которые в основном используются для различных индукционных обмоток с частотой выше 1 МГц, магнитных шариков для защиты от помех и совместных устройств согласования антенн.
3) Марганцево-цинковые ферритовые сердечники наиболее широко используются в импульсных источниках питания. В зависимости от их использования различается и выбор материалов. Сердечники, используемые в части фильтра входной мощности, в основном обладают высокой проницаемостью, а их материалы в основном относятся к классам R4K ~ R10K, то есть ферритовые сердечники с относительной проницаемостью 4000 ~ 10000.Что касается основных трансформаторов и выходных фильтров, большинство из них имеют высокую плотность магнитного потока насыщения, а их B составляет около 0,5 Тл (т. Е. 5000 GS).

Ⅳ Параметры главного трансформатора

a. Топология трансформатора

При более высокой плотности магнитного потока насыщения Bs и более низкой остаточной плотности магнитного потока Br, Bs оказывает определенное влияние на результаты работы трансформатора и обмотки. Теоретически, если Bs высокий, количество витков обмотки будет уменьшаться, и потери в меди также уменьшатся.В практических приложениях существует множество схем импульсных высокочастотных преобразователей питания. Для трансформаторов их рабочие формы можно разделить на две категории:

Схема является полумостовой, полной мостовой, двухтактной и т. Д. Положительные и отрицательные токи возбуждения полупериода в первичной обмотке трансформатора идентичны по величине и противоположны по направлению. Следовательно, изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора также перемещаются симметрично вверх и вниз. Максимальный диапазон изменения B составляет △ B = 2Bm, и постоянная составляющая в сердечнике в основном нейтрализуется.

Схема - прямая несимметричная, обратная несимметричная и т. Д. Первичная обмотка трансформатора добавляет однонаправленное прямоугольное импульсное напряжение за один цикл (в случае несимметричного обратного хода). Сердечник трансформатора возбуждается однонаправленно, и плотность магнитного потока изменяется от максимального значения Bm до остаточной плотности магнитного потока Br. В это время △ B = Bm - Br. Если Br уменьшается, а плотность магнитного потока Bs насыщения увеличивается, B может увеличиваться. Это может уменьшить количество витков и потери в меди.

г. Низкие потери мощности на высоких частотах
Потери мощности феррита не только влияют на выходную эффективность источника питания, но также вызывают нагрев сердечника, искажение формы сигнала и другие нежелательные последствия.
Проблема нагрева трансформатора очень часто встречается на практике. Это в основном вызвано потерями в меди и потерями в сердечнике. Если Bm выбрано слишком низким при проектировании трансформатора, и большее количество витков обмотки вызовет нагрев обмотки и в то же время передачу тепла магнитному сердечнику.И наоборот, если сердечник является основным нагревательным телом, это также вызовет нагрев обмотки.
При выборе ферритовых материалов потери мощности должны иметь отрицательную зависимость от температурного коэффициента. Если потери в сердечнике являются основным источником тепла, температура трансформатора будет расти, что приведет к дальнейшему увеличению потерь в сердечнике, что в конечном итоге приведет к сгоранию силовой трубки, трансформатора и других компонентов. Поэтому при разработке силовых ферритов в стране и за рубежом необходимо решить проблему отрицательного температурного коэффициента самого магнитного материала.Это также важная особенность магнитного материала для источника питания.

г. Проницаемость
Какова подходящая проницаемость? Это следует определять в соответствии с частотой коммутации реальной цепи. Обычно материалы с относительной проницаемостью 2000 имеют применимую частоту ниже 300 кГц, а иногда она может быть выше, менее 500 кГц. Для материалов с более высоким значением следует выбирать более низкую магнитную проницаемость, обычно около 1300.

г. Более высокая температура Кюри
Температура Кюри - это температура, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства, обычно выше 200 ℃. Однако фактическая рабочая температура трансформатора не должна превышать 80 ℃. Это связано с тем, что, когда температура выше 100 ℃, его плотность магнитного потока насыщения Bs упала до 70% от значения при комнатной температуре. Следовательно, чрезмерно высокая рабочая температура вызовет более сильное падение плотности потока насыщения магнитопровода.Кроме того, когда он выше 100 ° C, его потребляемая мощность имеет положительный температурный коэффициент, что приведет к порочному кругу. Для материала R2KB2 температура, соответствующая допустимой потребляемой мощности, достигла 110 ° C, а температура Кюри - 240 ° C, что соответствует требованиям для высокотемпературного использования.

Ⅴ Как рассчитать высокочастотный трансформатор?

5.1 Принципы и методы проектирования трансформаторов

Существует два основных метода проектирования трансформаторов: метод произведения площади AP.AP является произведением площади поперечного сечения сердечника Ae и эффективной площади окна Aw катушки.

PT - мощность трансформатора
Ae - эффективная площадь поперечного сечения
Aw - площадь окна сердечника
Ko - коэффициент использования окна сердечника, типовое значение 0,4.
Kf - коэффициент формы, прямоугольная волна - 4, синусоида - 4,44.
Bw - рабочая магнитная напряженность магнитопровода
Fs - рабочая частота переключателя
Kj - коэффициент плотности тока, взять 395A / см2
X - коэффициент структуры сердечника

5.2 Анализ метода AP

В соответствии с методом проектирования силового трансформатора, общие этапы проектирования трансформатора с использованием метода AP произведения площади:
1. Выберите материал сердечника и рассчитайте полную мощность трансформатора.
2. Определите размер AP жилы в поперечном сечении, а затем выберите размер жилы в соответствии с ним.
3. Рассчитайте индуктивность и количество витков первичной и вторичной сторон.
4. Рассчитайте длину воздушного зазора.
5. Найдите диаметр провода в соответствии с плотностью тока и действующим значением тока первичной и вторичной сторон.
6. Определите, соответствуют ли потери меди и железа требованиям (допустимые потери и превышение температуры).

5.3 Параметры источника питания

Входное напряжение: 175-264 В переменного тока
Выходное напряжение: 21 В
Выходная мощность: 3 А
Частота установлена ​​на 60 кГц, а рабочий цикл изначально установлен на 0,45.
Используя обратную топологию, выберите материал сердечника и определите полную мощность PT трансформатора.
Учитывайте стоимость, выберите здесь материал PC40:
Проверьте данные PC40 и получите Bs = 0.39Т, Br = 0,06Т

Bm = ΔBmax * 0,6 = 0,198T, округлите до 0,2T
Чтобы предотвратить мгновенное насыщение магнитопровода, зарезервируйте определенный запас и возьмите Bm = ΔBmax * 0,6 = 0,198T, возьмите 0,2T.
Полная мощность трансформатора PT, для обратноходового трансформатора:

Рассчитать AP:

Где:
Дж - плотность тока, обычно принимается 395 А / см2.
Ku - эффективный коэффициент использования медного окна, который определяется в соответствии с требованиями безопасности и количеством выходных каналов, обычно 0.B * Ae)
Np = 1434uH * 1,257A / (0,2 * 84,8) = 106,28T округлить до 106T
2) Число витков вторичной обмотки
Ns = Np / n
Ns = 106T / 7,8 = 13,58T , округлить до Ns = 14T
3) Обороты обратной связи
Nv = (Vcc + Vf) / [(Vo + Vf) / Ns]
Nv = (14,5V + 1V) / [(21V + 1V) / 14T] = 9,87T, круглый это к Nv = 10T

Чтобы избежать насыщения магнитопровода, к магнитной цепи добавляется соответствующий воздушный зазор, и расчет выглядит следующим образом:

Может потребоваться скорректировать количество витков в зависимости от краевого эффекта магнитного потока в воздушном зазоре.n / Vimin
Iprms = 63W / 0,8 / 210V = 0,375A
Диаметр провода (плотность тока J составляет 4A / мм2)

Используйте два провода диаметром 0,18 мм и намотайте их вместе или используйте одножильный провод AWG # 28.
Диаметр вторичной обмотки

Используйте 4 провода диаметром 0,25 мм для параллельной намотки и рассчитайте текущую глубину скин-слоя:

Диаметр многопроволочной проволоки должен быть меньше или равен dwH. Для однопроволочной намотки, если диаметр проволоки превышает dwH, необходимо рассмотреть возможность использования нескольких жил.

Расчет потерь в меди Pcu и потерь в стали Pfe (полные потери в трансформаторе Ploss)
a) Потери в первичной и вторичной обмотках. Среди них MLT - это средняя длина витка магнитопровода.

b) Рассчитайте допустимые общие потери Ploss и потери в стали при КПД η .

c) Найдите фактические потери при эксплуатации в соответствии с кривой потерь в сердечнике.
Потери железа на единицу веса, фактически произошло

Фактические потери в стали должны быть ниже допустимого значения.

d) Рассчитайте потери на единицу площади Φ = Ploss / As. Если повышение температуры, вызванное значением Φ, составляет менее 25 градусов, конструкция в порядке.
Bw Расчет:

Рабочая плотность магнитного потока Bw должна соответствовать требованиям к расчетному индексу: Bw , чтобы избежать насыщения магнитопровода.

Часто задаваемые вопросы о конструкции высокочастотного трансформатора

1. Что такое высокочастотный трансформатор?
Основное отличие состоит в том, что, как следует из их названия, они работают на гораздо более высоких частотах - в то время как большинство трансформаторов сетевого напряжения работают на частоте 50 или 60 Гц, высокочастотные трансформаторы используют частоты от 20 кГц до более 1 МГц.... Для любой данной номинальной мощности, чем выше частота, тем меньше может быть трансформатор.

2. Каковы особенности конструкции высокочастотного трансформатора?
Проектирование ВЧ трансформаторов. Трансформаторы высокой частоты передают электроэнергию. Физический размер зависит от передаваемой мощности, а также от рабочей частоты. Чем выше частота, тем меньше физический размер.

3. Для чего нужен высокочастотный трансформатор?
Эти трансформаторы предназначены для безопасной и точной работы с напряжением до 15 000 вольт, преобразуя уровни высокого напряжения и тока между катушками за счет магнитной индукции.Высоковольтные и высокочастотные трансформаторы используются в самых разных областях, от источников питания до лазерного оборудования и ускорителей частиц.

4. В чем разница между высокой и низкой частотой?
Когда мы говорим о звуке, мы говорим о высоких и низкочастотных волнах. ... Это измерение количества циклов в секунду выражается в герцах (Гц), причем более высокие Гц соответствуют более высокочастотному звуку. Низкочастотные звуки составляют 500 Гц или ниже, а высокочастотные волны - более 2000 Гц.

5. Какая частота трансформатора?
Что такое частота трансформатора. Доступны три распространенные частоты: 50 Гц, 60 Гц и 400 Гц. Мощность в Европе обычно составляет 50 Гц, а в Северной Америке - 60 Гц. Частота 400 Гц зарезервирована для мощных приложений, таких как аэрокосмическая промышленность, а также для некоторых специализированных компьютерных источников питания и ручных станков.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *