Импульсные источники питания, все чаще встречающиеся в радиолюбительской практике благодаря высокому коэффициенту полезного действия, малым габаритам и весу, обычно требуют расчета одного или нескольких (по числу каскадов) трансформаторов. Это продиктовано тем, что приводимые в литературе значения числа витков, их диаметра, зачастую не совпадают с желаемыми выходными данными собираемого или проектируемого источника питания, либо имеющиеся в наличии у радиолюбителя ферритовые кольца или транзисторы не соответствуют приводимым в схеме.
В литературе приводилась упрощенная методика расчета трансформаторов импульсных источников питания. Общий порядок расчета трансформатора импульсного источника питания следующий:
1. Рассчитать (в Вт) используемую мощность трансформатора
Рисп.=1,ЗРн, где Рн — мощность, потребляемая нагрузкой.
2. Выбрать тороидальный ферритовый магнитопровод, удовлетворяющий условию Ргаб>Рисп., где Ргаб. — габаритная мощность трансформатора, Вт, вычисляемая как:
Где D — наружный диаметр ферритового кольца, см; d— внутренний диаметр; h — высота кольца; f — частота работы преобразователя, Гц; Вmах — максимальное значение индукции (в Тесла), которое зависит от марки феррита и определяется по справочнику.
3. Задавшись напряжением на первичной обмотке трансформатора
U1 определяют с округлением в большую сторону
число ее витков:
Для полумостового преобразователя U1=Uпит/2-UКЭнас, где Uпит — напряжение питания преобразователя, UКЭнас — напряжение насыщения коллектор — эмиттер транзисторов VT1, VT2.
4. Определяют максимальный ток первичной обмотки (в А):
Где η — КПД трансформатора (обычно 0,8).
5. Определяют диаметр провода первичной обмотки (в мм):
6. Находят число витков и диаметр провода выходной (вторичной) обмотки:
М.А. Шустов; «Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения»; «Альтекс-А», 2002г.
Импульсные трансформаторы (ИТ) являются востребованным прибором в хозяйственной деятельности. Часто устанавливают в блоки питания бытовой, компьютерной, специальной техники. Импульсный трансформатор своими руками создают мастера с минимальным опытом работы в области радиотехники. Что это за устройство, а также принцип работы будут рассмотрены далее.
Задача импульсного трансформатора заключается в защите электрического прибора от короткого замыкания, чрезмерного увеличения значения напряжения, нагрева корпуса. Стабильность блоков питания обеспечена импульсными трансформаторами. Подобные схемы применяются в триодных генераторах, магнетронах. Импульсник применяется при работе инвертора, газового лазера. Данные приборы устанавливают в схемах в качестве дифференцирующего трансформатора.
Радиоэлектронная аппаратура основана на трансформаторной способности импульсных преобразователей. При использовании импульсного блока питания организовывается работа цветного телевизора, обычного компьютерного монитора и т. д. Помимо обеспечения потребителя током требуемой мощности и частоты, трансформатором выполняется стабилизация значения напряжения при работе оборудования.
Преобразователи в блоках питания обладают рядом характеристик. Это функциональные устройства, имеющие определенную габаритную мощность. Они обеспечивают правильное функционирование элементов в схеме.
Импульсный бытовой трансформатор обладает надежностью и высоким перегрузочным порогом. Преобразователь отличается стойкостью к механическим, климатическим воздействиям. Поэтому схема импульсного блока питания телевизоров, компьютеров, планшетов. отличается повышенной электрической устойчивостью.
Приборы обладают небольшой габаритной характеристикой. Стоимость представленных агрегатов зависит от области применения, трудозатрат на изготовление. Отличие представленных трансформаторов от иных подобных приборов заключается в их высокой надежности.
Рассматривая, как работает агрегат представленного типа, нужно понять отличия между обычными силовыми установками и устройствами ИТ. Намотка трансформатора имеет разную конфигурацию. Это две катушки, связанные магнитоприводом. В зависимости от количества витков первичной и вторичной намотки, на выходе создается электричество с заданной мощностью. Например, в трансформаторе преобразовывается напряжение 12 в 220 В.
На первичный контур подаются однополярные импульсы. Сердечник остается в состоянии постоянного намагничивания. На первичной намотке определяются импульсные сигналы прямоугольной формы. Интервал между ними во времени короткий. При этом появляются перепады индуктивности. Они отражаются импульсами на вторичной катушке. Эта особенность является основой принципов функционирования подобного оборудования.
Выделяют разные типы импульсной схемы силового оборудования. Агрегаты отличаются в первую очередь формой конструкции. От этого зависят эксплуатационные характеристики. По виду обмотки различают агрегаты:
Поперечное сечение сердечника бывает прямоугольное, круглое. Маркировка обязательно содержит информацию об этом факте. Также различают тип обмоток. Катушки бывают:
В первом случае индуктивность рассеивания будет минимальной. Представленный тип преобразователя применяется для автотрансформаторов. Намотка при этом выполняется из фольги или тенты из специального материала.
Цилиндрический тип обмотки характеризуется низким показателем рассеивания индуктивности. Это простая, технологичная конструкция.
Конические разновидности значительно уменьшают рассеивание индуктивности. Емкость обмоток при этом мало увеличивается. Изоляция между двумя слоями обмоток пропорциональна напряжению между первичными витками. Толщина контуров увеличивается от начала к концу.
Представленное оборудование отличается различными эксплуатационными характеристиками. В их число входят габаритная мощность, напряжение на первичной, вторичной обмотке, масса и размер. При указании маркировки учитываются перечисленные характеристики.
Блоки питания с импульсным устройством обладают массой достоинств перед аналоговыми приборами. Именно по этой причине их подавляющее большинство изготавливается по представленной схеме.
Трансформаторы импульсного типа отличаются следующими преимуществами:
Меньшим весом конструкция обладает из-за увеличения частоты сигнала. Конденсаторы уменьшаются в объеме. Схема их выпрямления наиболее простая.
Сравнивая обычные и импульсные блоки питания, видно, что в последних потери энергии сокращаются. Они наблюдаются при переходных процессах. КПД при этом может составлять 90-98%.
Меньшие габариты агрегатов позволяют снизить затраты на производство. Материалоемкость конечного продукта значительно уменьшается. Запитывать представленные аппараты можно от тока с различными характеристиками. Цифровые технологии, которые применяются при создании малогабаритных моделей, позволяют применять в конструкции специальные защитные блоки. Они предотвращают появление короткого замыкания, прочие аварийные ситуации.
Единственным недостатком импульсных разновидностей устройств является появление высокочастотных помех. Их приходится подавлять различными методами. Поэтому в некоторых разновидностях точных цифровых приборов подобные схемы не используются.
Представленное оборудование изготавливается из различных материалов. Создавая блоки питания представленного типа, потребуется рассмотреть все возможные варианты. Применяются следующие материалы:
Одним из лучших вариантов является альсифер. Однако его практически не найти в свободной продаже. Поэтому, желая создать оборудование самостоятельно, его не рассматривают в качестве возможного варианта.
Чаще всего для создания сердечника применяется электротехническая сталь марок 3421-3425, 3405-3408. Магнитно-мягкими характеристиками известен пермаллой. Это сплав, который состоит из никеля и железа. Его легируют в процессе обработки.
Для импульсов, интервал которых находится в пределах наносекунды, используется феррит. Этот материал имеет высокое удельное сопротивление.
Чтобы создать и намотать трансформаторные контуры самостоятельно, потребуется произвести расчет импульсного трансформатора. Применяется специальная методика. Сначала определяют ряд исходных характеристик оборудования.
Например, на первичной обмотке установлено напряжение 300 В. Частота преобразования равняется 25 кГц. Сердечник выполнен из ферритового кольца типоразмером 31 (40х25х11). Сначала потребуется определить площадь сердечника в поперечном сечении:
П = (40-25)/2*11 = 82,5 мм².
На основе полученных данных можно найти диаметр сечения провода, который потребуется для создания контуров:
Д = 78/181 = 0,43 мм.
Площадь сечения в этом случае равняется 0,12 м². Максимально допустимый ток на первичной катушке при таких параметрах не должен превышать 0,6 А. Габаритную мощность можно определить по следующей формуле:
ГМ = 300 * 0,6 = 180 Вт.
На основе полученных показателей можно самостоятельно рассчитать параметры всех составляющих будущего прибора. Создать трансформатор этого типа станет увлекательным занятием для радиолюбителя.
Подобный аппарат является надежным и качественным при правильной последовательности всех действий. Расчет проводится для каждой схемы индивидуально. При изготовлении подобного оборудования вторичная обмотка должна замыкаться на нагрузку потребителя. В противном случае прибор не будет считаться безопасным.
От типа сборки, материалов и прочих параметров зависит работа трансформатора. Качество схемы напрямую зависит от импульсного блока. Поэтом расчетам, выбору материалов уделяется высокое значение.
Рассмотрев особенности импульсных трансформаторов, можно понять их важность для многих радиоэлектронных схем. Создать подобное устройство самостоятельно можно только после соответствующего расчета.
Приведены образцы схем преобразования и выпрямления. На некоторых полях ввода программы и на некоторых результатах расчета, которые нуждаются в комментариях, размещены всплывающие подсказки.
Подробнее о программе
1. Основная работа в программе происходит в группе «Оптимизация».
Автоматический расчет применяется при выборе другого сердечника или при изменении любых исходных данных (за пределами группы «Оптимизация») для получения отправной точки при оптимизации намоточных данных трансформатора.
2. В группе «Оптимизация» при изменении значений с помощью стрелок старт оптимизации запускается автоматически.
Но если новое значение введено «вручную», то следует запускать оптимизацию этой кнопкой.
3. Для ШИМ-контроллеров задается частота, равная половине частоты задающего генератора микросхемы. Импульсы задающего генератора подаются на выходы по очереди, поэтому частота на каждом выходе (и на трансформаторе) в 2 раза ниже частоты задающего генератора.
Микросхемы IR2153, и подобные ей этого семейства микросхем, не являются ШИМ-контроллерами, и частота на их выходах равна частоте задающего генератора.
Не стоит гнаться за большой частотой. При высокой частоте увеличиваются коммутационные потери в транзисторах и диодах. Также при большой частоте из-за малого числа витков ток намагничивания получается слишком велик, что приводит к большому току холостого хода и, соответственно, низкому КПД.
4. Коэффициент заполнения окна характеризует, какую часть окна сердечника займет медь всех обмоток.
5. Плотность тока зависит от условий охлаждения и от размеров сердечника.
При естественном охлаждении следует выбирать 4 — 6 А/мм2.
При вентиляции плотность тока можно выбрать больше, до 8 — 10 А/мм2.
Большие значения плотности тока соответствуют маленьким сердечникам.
При принудительном охлаждении допустимая плотность тока зависит от интенсивности охлаждения.
6. Если выбрана стабилизация выходных напряжений, то первый выход является ведущим. И на него надо назначать выход с наибольшим потреблением.
Остальные выходы считаются по первому.
Для реальной стабилизации всех выходов следует применять дроссель групповой стабилизации.
7. При однополярном выпрямлении, несмотря на больший расход меди, имеет преимущество схема выпрямления со средней точкой, так как потери на двух диодах будут в 2 раза меньше, чем на четырех диодах в мостовой схеме.
8. Для правильной работы дросселя в выпрямителе после диодов перед дросселем не должно быть никаких конденсаторов! Даже маленького номинала.
9. На числах витков обмоток в результатах расчета помещены всплывающие подсказки с числом слоев, занимаемых обмотой.
10. На числах проводов в обмотках в результатах расчета помещены всплывающие подсказки с плотностью тока в обмотке.
****************************************************************************************
Бесплатная программа AntWorks FotoAlbum поможет Вам без труда на компьютере создать свой фотоальбом.
Программа имеет простой и доступный интерфейс, имеется поддержка языковых модулей, множество графических форматов, комментарии для фотографии, с возможностью прикрепления звуковых файлов и других объектов, возможность убирания «красных глаз и многое другое…
В методике расчета, описанной в , для определения минимального числа витков первичной обмотки W 1 и габаритной Р габ (максимально допустимой) мощности трансформатора двухтактного преобразователя использованы формулы:
где U1 - напряжение на первичной обмотке трансформатора, В; f - частота преобразования, Гц; В max - максимальная магнитная индукция в магнитопроводе, Тл; S c и S w , - площадь сечения и площадь окна, См 2 .
Эти формулы позволяют выполнить приближенный расчет трансформатора. Но формальное следование приведенному в примеру расчета и игнорирование возникающих погрешностей может дать ошибочный результат, следствием которого может быть выход из строя трансформатора и коммутирующих транзисторов.
Рассмотрим, например, кольцевой магнитопровод К40х25х11 из феррита 2000НМ1. Рекомендуемое в максимальное значение магнитной индукции должно быть равно индукции насыщения: B max =B нас =0,38 Тл . Вероятно, в сделан вывод. что под нагрузкой выпрямленное сетевое напряжение 310 В снизится до 285 В. Поэтому для полумостового преобразователя напряжение на первичной обмотке трансформатора (за вычетом напряжения насыщения на коммутирующем транзисторе, которое принято равным 1.6 В): U 1 =285/2-1.6≈141 В. Из расчета по формуле (1) получаем W 1 =11.24≈12 витков первичной обмотки.
Допустим, необходимо получить в нагрузке постоянный ток l н =4 А при напряжении U н =50 В, что соответствует полезной мощности Р н =200 Вт. При КПД η≈0.8 используемая мощность равна P исп =P н /η=200/0.8=250 Вт. Габаритная мощность выбранного трансформатора, вычисленная по формуле (2), более чем в четыре раза превышает требуемую, поэтому он должен функционировать без проблем. В соответствии с максимальный ток в первичной обмотке равен l 1max =P исп /U 1 =1.77 А. Выберем коммутирующие транзисторы с запасом по току 50%, тогда максимально допустимый ток коллектора (стока) I к доп = 1.77*1.5=2.7 А. Для первичной обмотки трансформатора потребуется провод диаметром 0.8 мм. Вторичная обмотка должна содержать пять витков провода диаметром 1.2 мм. На этом расчет трансформатора по методике завершен. Но будет ли нормально работать преобразователь с этим Трансформатором?
Рассмотрим процесс передачи энергии в нагрузку с помощью импульсного трансформатора, схема включения которого показана на рис.1,а. Показаны направления токов в первичной i 1 и вторичной i 2 обмотках трансформатора и полярность напряжения а рассматриваемый полупериод входного импульсного напряжения u 1 , прямоугольная форма которого изображена на рис.1,б.
Заметим, что форма тока в первичной обмотке не прямоугольная. Этот ток - сумма полезной прямоугольной составляющей с амплитудой l 1max =1.77 А и треугольной составляющей тока намагничивания. Последнюю составляющую можно оценить по формуле
Размах тока намагничивания определяется длительностью полупериода ∆t:
На рис.1,в показано, как в течение одного полупериода ток намагничивания i μ возрастает от значения -l max до +l max , а другого - убывает в том же интервале. Даже при отсутствии насыщения магнитопровода только за счет возрастания тока намагничивания суммарный ток l ∑max , показанный на рис. 1,б, может увеличиться до опасных для транзисторов значений.
Рассмотрим влияние гистерезиса. Намагничивание и перемагничивание магнитопровода происходит в соответствии с кривыми, показанными на рис.2. По оси абсцисс - напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой трансформатора, по оси ординат - магнитная индукция В в магнитопроводе. На рис. 2 показаны предельная петля гистерезиса и частная (внутренняя) петля гистерезиса, соответствующая рис. 1,б и 1,в.
Рис.2
Кривая на рис.2, исходящая из точки пересечения координатных осей, соответствует начальному участку кривой намагничивания и характеризует работу трансформатора в слабых магнитных полях. Поскольку, как указывалось, напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой трансформатора, пропорциональна току намагничивания i μ , вполне правомерно совместить на одном рисунке его диаграмму с изменением магнитной индукции В в магнитопроводе.
Если в любой точке петли гистерезиса провести касательную (на рисунке - это касательная АС в точке А), то ее наклон будет определять изменение магнитной индукции ЛВ по отношению к изменению напряженности магнитного поля ∆Н в выбранной точке, т.. е. ∆В/∆Н. Это - динамическая магнитная проницаемость. В точке пересечения координатных осей она равна начальной магнитной проницаемости. Для феррита 2000НМ1 она номинально составляет 2000, но ее реальное значение может находиться в весьма широких пределах: 1700...2500 .
Для показанного на рисунке примера, в котором перемагничивание магнитопровода происходит по частной петле гистерезиса с вершиной в точке D, изменение тока намагничивания i μ1 определяемого формулой (3). будет происходить почти по линейному закону. Если частота преобразования f не превышает 50 кГц, потери энергии на нагрев магнитопровода из-за его перемагничивания пренебрежимо малы. Что же касается режима с заходом значения магнитной индукции в область насыщения материала магнитопровода (B max =B нас). выбранного в , картина будет совершенно иной. В этом случае основной кривой намагничивания соответствует форма тока i μ2 весьма далекая от линейной. Касательная в точке Е с координатами (Н нас, В нас) почти горизонтальна, что эквивалентно существенному уменьшению индуктивности первичной обмотки, и поэтому в соответствии с формулой (3) ток намагничивания резко возрастает, что иллюстрирует график i μ2 . Если коммутирующий транзистор выбран без достаточного запаса по току, он будет неизбежно поврежден. Чтобы исключить насыщение магнитопровода, необходимо выполнить условие: при максимально возможном напряжении питания максимальная магнитная индукция должна соответствовать неравенству B max ≤(0,5...0,75)*В нас. Часто при проектировании двухтактного преобразователя пользуются еще и другим критерием - относительным значением тока намагничивания. Параметры первичной обмотки выбирают так. чтобы размах тока намагничивания ∆l соответствовал не более 5...10% амплитуды прямоугольной составляющей тока в первичной обмотке l 1max , тогда суммарный ток можно приближенно считать прямоугольным.
Индуктивность первичной обмотки трансформатора, содержащей в нашем примере 12 витков, равна 0.3 мГн. Амплитуда тока намагничивания, вычисленная по формуле (4). - 1.18 А. Если теперь для полезной нагрузки 200 Вт сравнить полученное максимальное значение суммарного тока коммутации l ∑max =l 1max +l max =1.77+1.18=2.95≈З А (рис.1,б) с максимально допустимым током коммутирующего транзистора 2.7 А, становится совершенно очевидным факт неправильного выбора транзистора и несоответствия вычисленного диаметра проводника первичной обмотки требуемому значению. Это несоответствие еще более усугубится в случае вполне возможного повышения входного напряжения на 20 %. Поскольку при номинальном напряжении питания выбран режим с заходом значения магнитной индукции в область насыщения материала магнитопровода (B max =B нас), в случае повышения сетевого напряжения максимальное значение тока в первичной обмотке трансформатора l ∑ max значительно превысит даже его уточненное значение 3 А.
Произвольно выбранная в примере расчета частота преобразования 100 кГц, как показывает эксперимент, является предельно возможной для феррита 2000НМ1, при этом необходимо учитывать потери энергии на разогрев трансформатора. Даже если их не учитывать, число витков первичной обмотки должно быть существенно больше. В случае увеличения напряжения сети на 20% амплитуда напряжения на первичной обмотке достигнет 180 В. Если допустить, что при этом напряжении максимальная магнитная индукция в магнитопроводе не превысит В mах =0,75*В нас =0.285 Тл, то число витков первичной обмотки, вычисленное по формуле (1), должно быть равно 20, но никак не 12.
Таким образом, недостаточно обоснованный выбор исходных значений в формуле (1) может привести к неточному или даже ошибочному расчету импульсного трансформатора. Чтобы не возникло сомнений в правомерности применения формулы (1), обоснуем ее аналитически.
Максимальная магнитная индукция В m ax (Тл) в замкнутом магнитопроводе может быть вычислена по известной формуле
где μ 0 = 4π·10 7 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума; μ EFF - эффективная магнитная проницаемость материала магнитопровода; l max - амплитуда тока намагничивания, А; W 1 - число витков первичной обмотки; l EFF - эффективная длина магнитной силовой линии в магнитопроводе, м. Подставим в (5) l max из (4), применяя известную формулу для индуктивности тороидальной обмотки
и переходя от метров к сантиметрам, получим формулу для расчета числа витков
Как видим, формула (6) отличается от (1) лишь тем, что в нее входит эффективная площадь сечения магнитопровода, а не геометрическая. Подробная методика расчета эффективных параметров различных типов магнитопроводов приведена в [З]. При практическом использовании этой формулы значение W, следует округлить вверх до ближайшего целого числа N 1 .
Обратим внимание на особенности применения использованных в соотношений при проектировании трансформаторов для различных двухтактных преобразователей.
Автогенераторные преобразователи с одним трансформатором, подобные описанному в (4), работают с заходом в область насыщения материала магнитопровода (точки Е и Е" на рис. 2). Формулы (1) и (2) используют при B max = В нас. Несколько иначе применяют указанные формулы в случае проектирования автогенераторных преобразователей с двумя трансформаторами, таких как описанный в . В нем обмотка связи на мощном трансформаторе соединена с маломощным трансформатором в цепи управления базами коммутирующих транзисторов. Импульсное напряжение, наводимое в обмотке связи, создает насыщение в маломощном трансформаторе, который и задает частоту преобразования в соответствии с формулой (1). Эту частоту подбирают такой, чтобы избежать насыщения в мощном трансформаторе, типоразмер которого определяют согласно формуле (2). В подобных блоках питания сигналы управления, формируемые насыщающимся маломощным трансформатором, сводят до минимума сквозной ток в коммутирующих транзисторах.
Наряду с автогенераторами, большой популярностью у радиолюбителей пользуются двухтактные преобразователи с внешним возбуждением. Чтобы исключить сквозной ток коммутации, генераторы сигналов внешнего возбуждения формируют защитный временной интервал между выключением открытого и включением закрытого коммутирующих транзисторов. После выбора частоты преобразования и максимального значения магнитной индукции в магнитопроводе обычно вначале на основании (2) определяют требуемый магнитопровод трансформатора, а затем с помощью формулы (1) рассчитывают число витков первичной обмотки трансформатора.
| Тмпоразмер | S o , | S EFF , | L EFF | А L , | Частота преобразования. кГц | ||||||||
| 30 | 40 | 50 | |||||||||||
| Р max | N 1 | I max | Р max | N 1 | I max | Р max | N 1 | I max | |||||
| см 2 | см 2 | см | мкГн | Вт | вит. | А | Вт | вит. | А | Вт | вит. | А | |
| К28х16х9 | 2.01 | 0.526 | 6.56 | 2 | 42 | 115 | 0.06 | 56 | 86 | 0.08 | 70 | 69 | 0.09 |
| КЗ1х18.5х7 | 2.69 | 0.428 | 7.44 | 1.44 | 48 | 141 | 0.05 | 61 | 106 | 0.07 | 77 | 85 | 0.09 |
| КЗ2х16Х8 | 2.01 | 0.615 | 6.97 | 2.2 | 49 | 98 | 0.07 | 66 | 74 | 0.09 | 82 | 59 | 0.12 |
| К32х16Х12 | 2.01 | 0.923 | 6.97 | 3.32 | 74 | 86 | 0.10 | 99 | 49 | 0.14 | 124 | 40 | 0.17 |
| К32х20Х6 | 3.14 | 0.353 | 7.88 | 1.12 | 44 | 170 | 0.05 | 59 | 128 | 0.06 | 74 | 102 | 0.08 |
| КЗ2х20х9 | 3.14 | 0.53 | 7.88 | 1.68 | 67 | 114 | 0.01 | 89 | 85 | 0.09 | 111 | 68 | 0.12 |
| КЗ8х24х7 | 4.52 | 0.482 | 9.4 | 1.28 | 87 | 125 | 0.08 | 116 | 94 | 0.1 | 145 | 75 | 0.13 |
| К40х25х7.5 | 4.91 | 0.552 | 9.84 | 1.4 | 106 | 109 | 0.09 | 145 | 82 | 0.12 | 181 | 66 | 0.15 |
| К40х25х11 | 4.91 | 0.811 | 9.84 | 2.08 | 159 | 74 | 0.13 | 212 | 56 | 0.17 | 265 | 45 | 0.21 |
| К45x28Х8 | 6.16 | 0.667 | 11 | 1.52 | 164 | 90 | 0.12 | 219 | 68 | 0.16 | 274 | 54 | 0.20 |
| К45x28Х12 | 6.16 | 0.978 | 11 | 2.24 | 241 | 62 | 0.17 | 321 | 47 | 0.23 | 402 | 37 | 0.29 |
Для ориентировочных расчетов и предварительного выбора требуемого типоразмера магнитопровода из феррита 2000НМ1 служит таблица, в которой для нескольких значений частоты преобразования f представлены результаты расчетов минимального числа витков N 1 первичной обмотки по формуле (6), амплитудного значения тока намагничивания I max по формуле (4) и максимально возможной полезной мощности Р max . При вычислении последней вначале была вычислена габаритная мощность по формуле (2) с использованием эффективной площади сечения магнитопровода вместо геометрической, затем она была умножена на значение КПД, равное 0.8. Сумма
I ∑max = l 1 max + l max
дает основание для выбора коммутирующего транзистора по максимально допустимому току коллектора (стока). Это же значение тока можно использовать и для определения диаметра провода первичной обмотки трансформатора в соответствии с приведенной в формулой
Расчеты выполнены при условии, что максимальная магнитная индукция В mах не превысит 0.25 Тл, даже если напряжение сети будет выше номинального на 20 %, вследствие чего напряжение на первичной обмотке трансформатора двухтактного полумостового инвертора может достигать 180 В (с учетом падения напряжения на токоограничивающем резисторе и выпрямительных диодах). Магнитопровод следует подбирать с запасом 20...40% по максимальной выходной мощности, указанной в таблице. Хотя таблица составлена для полумостового преобразователя, ее данные можно легко модифицировать и для мостового. В этом случае напряжение на первичной обмотке трансформатора будет в два раза больше, а амплитуда прямоугольной составляющей тока первичной обмотки - в два раза меньше. Число витков должно быть вдвое больше. Индуктивность обмотки возрастет в четыре раза, а ток >I max уменьшится вдвое. Можно использовать магнитопровод из двух сложенных вместе ферритовых колец одного типоразмера, что приведет к двукратному увеличению площади сечения магнитопровода S c и коэффициента индуктивности A L . Согласно формуле (2) габаритная и полезная отдаваемая мощность также возрастут вдвое. Минимальное число витков первичной обмотки, вычисленное по формуле (6) останется неизменным. Ее индуктивность возрастет вдвое, а ток намагничивания I max , определенный по формуле (4), останется прежним.
В блоках питания с выводом от средней точки первичной обмотки трансформатора к половине этой обмотки прикладывается полное напряжение сети, поэтому число витков обмотки должно быть в два раза больше по сравнению с мостовым преобразователем при прочих равных условиях.
Подчеркнем, что из-за значительного разброса реальных значений параметров ферромагнитных материалов по сравнению с их справочными данными таблицу можно использовать только для предварительного выбора магнитопровода, а затем, после экспериментального измерения его характеристик, требуется провести уточненный расчет трансформатора. Например, для магнитопровода К40х25х11 в таблице приведено значение коэффициента индуктивности A L =2.08 мкГн на виток. Экспериментально уточним магнитные свойства конкретного экземпляра магнитопровода: для пробной обмотки из N проб = 42 витков измеренная индуктивность равна ≈3.41 мГн, а коэффициент индуктивности
Но отличия могут быть и более значительными, поэтому приведенное в таблице значение коэффициента индуктивности следует все же рассматривать как ориентировочное. В нашем случае нужно либо увеличить число витков, чтобы индуктивность обмотки была не меньше рассчитанной по табличным данным, либо при выборе транзисторов учесть, что ток l max будет больше табличного в 2,08/1,93≈1.1 раза.
На этапе изготовления, скорее всего, окажется, что рекомендованное минимальное число витков первичной обмотки будет лишь частично заполнять первый слой трансформатора. Чтобы магнитное поле, создаваемое такой обмоткой в магнитопроводе, было однородным, ее витки располагают либо "вразрядку", либо заполняют ими слой целиком, а затем, с учетом нового числа витков, проводят окончательный расчет трансформатора.
Завершим расчет трансформатора, выбранного в качестве примера. Из таблицы следует, что на частоте 50 кГц максимальная полезная мощность составит 265 Вт, минимальное число витков первичной обмотки N 1 равно 45. Ориентировочно максимальное значение коммутируемого тока: 1.77+0.21=1.98 А. Определим диаметр провода первичной обмотки трансформатора. Как указывалось , ближайший по диаметру из производимой промышленностью номенклатуры выберем d 1 =0,83мм, а с учетом изоляции d 1 =0,89 мм. Если учесть электрическую изоляцию магнитопровода несколькими слоями лакоткани общей толщиной 0,25 мм, внутренний диаметр магнитопровода уменьшится до 25-0.5=24.5 мм. При этом длина внутренней окружности составит π·24,5≈80 мм. С учетом коэффициента заполнения 0,8 для намотки первого слоя обмотки доступно 64 мм, что соответствует 64/0,89 = 71 витку. Таким образом, для 45 витков достаточно места. Наматываем их "вразрядку".
При определении числа витков вторичной обмотки необходимо знать падение напряжения на первичной обмотке. Если учесть, что длина одного витка составляет 40.5-24.5+2-11.5=39 мм, то общая длина провода в первичной обмотке равна 45*39=1.755 м. Учитывая погонное сопротивление провода , получим R обм1 =0.0324*1.755=0.06 Ом, а падение напряжения на первичной обмотке достигнет U 1nад =1.77*0.06=0,1 В.
Очевидно, что столь малым его значением можно пренебречь. Если предположить, что потери на выпрямительном диоде примерно равны 1 В, тогда получим расчетное число витков вторичной обмотки N 2 =45*(51/150)=15,3 ≈ 16 витков. Диаметр провода вторичной обмотки
Заполнение окна трансформатора по меди
что соответствует коэффициенту заполнения
С учетом необходимости межслойной и межобмоточной изоляции среднее значение коэффициента заполнения может достигать K m =0.35, а максимальное - K m = 0.5 . Таким образом, условие размещения обмоток выполнено.
Уточним максимальное значение тока намагничивания с учетом того, что измеренное значение коэффициента индуктивности оказалось в 1.1 раза меньше табличного. Поэтому ток намагничивания I max будет в 1.1 раза больше и составит 0.23 А, что в нашем примере не сильно отличается от табличного значения, 0.21 А. Суммарный ток коммутации в первичной обмотке при максимальном сетевом напряжении равен l Σmax =1.77+0.23=2 А. Исходя из этого необходимо выбрать коммутирующие транзисторы с максимально допустимым током коллектора (стока) не менее l дoп =1.5*2=3 А. Максимальное напряжение на коммутирующих транзисторах (в закрытом состоянии) равно полному выпрямленному напряжению сети, поэтому максимально допустимое напряжение на коллекторе (стоке) должно быть не менее U дoп =1.2*360=432 В. На этом расчет импульсного трансформатора завершен.
1. Жучков В. Расчет трансформатора импульсного блока питания. - Радио, 1987, № 11. с. 43.
2. Справочная информация. Справочник по ферритам. Ферромагнитные материалы. - http://www.qrz.ru/reference/ferro/ferro.shtml
3. Михайлова М. М., Филиппов в. в., Муслеков В. П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. - М.: Радио и связь, 1983.
4 . Kнязев Ю., Сытник Г., Cоркин И. Блок ЗГ и питание комплекта ИК-2 . - Радио, 1974, № 4, с. 17.
5. Беребошкин д. Усовершенствованный экономичный блок питания. - Радио, 1985. № 6, с. 51,52.
6. Першин В. Расчет сетевого трансформатора источника питания. - Радио, 2004, № 5, с. 55-57.
С.КОСЕНКО, Радио, 2005, №4, с.35-37,44.
0 xBХочу предложить Вам упрощенный расчет импульсного трансформатора. Каждый, кто сталкивался с проблемой изготовления трансформаторов такого типа возникала трудность с самими расчетами. Привожу формулы для расчета трансформаторов такого типа, которыми пользуюсь большое количество времени.
Кольцевого Ш-образного
Обозначение: K D xd xh Ш I
Площадь сечения магнитопровода:
Площадь сечения окна магнитопровода:
Определим коэффициент заполнения γ
.Где: t и, T – длительность и период импульса.
Для однотактных схем: γ = 0..0,5; γ max = 0,5;
для двухтактных схем
: γ = 0..0,4; γ max = 0,45.
где:
, - минимальное и максимальное напряжение на первичной обмотке.
Определим падение напряжения на ключевом транзисторе U кл
.Где 
Сопротивление открытого канала полевого транзистора;
Напряжение насыщения биполярного транзистора;
Падение напряжения на выпрямительном прямосмещенном диоде в выходной цепи (для диодов Шоттки = 0,5..0,6 V). Для моста берется значение 2
Определим напряжение на первичной обмотке ИТ по формуле:
Определим коэффициент трансформации k и ток первичной обмотки трансформатора I
1:
Выберем магнитопровод по габаритной и нагрузочной мощности с учетом КПД.
габ = P н ; P габ = 2S с S 0 fBjσ;
f – минимальная рабочая частота;
j = 5 · 10 6 А/м 2 максимальная плотность тока в проводе;
B – магнитная индукция в магнитопроводе;
ффициент полезного действия ИТ;Однотактный режим 
Двухтактный режим
B = 0,2 Тл (выбрано с запасом);
η = 0,93..0,95.
Выбираем магнитопровод по S с
S 0 из справочника.Рассчитаем обмотки ИТ.
Диаметр провода определим из условия: 
(мм).
Вычислим величину немагнитного зазора g (
для однотактных схем).Требуемая индуктивность первичной обмотки:
величина немагнитного зазора будет:
(мм); S с = [см
2 ]; μ
0 = 4π∙10
-8 = 1,256637∙10 -7 .
Для Ш-образного магнитопровода между половинками устанавливается диэлектрическая прокладка, толщиной не более
g/2 . Если она получается очень тонкая, то необходимо увеличить количество витков ω 1 и сделать пересчет.В заключении, вычисляется коэффициент заполнения окна проводом и если он более
0,5 , то необходимо выбрать другой магнитопровод, следующий из габаритного ряда. Если он сильно отличается от первоначально заданного, то необходимо проверить выполнение условия для S с S 0 (см. п.5).Справочные данные.
S 0 = 0,2827 см 2 ;
S с =0,05 см 2 .
к 20 х 12 х 6
S 0 = 1,1308 см 2 ;
S с = 0,24 см 2 .
к 28 х 16 х 9
S 0 =2,0102 см 2 ;
S с = 0,54 см 2 .
к 32 х 20 х 10
S 0 = 3,1416 см 2 ;
S с = 0,6 см 2 .
Ш 6 х 6 М2000НМ
S 0 = 0,825 см 2 ;
S с = 0,36 см 2 ;
B m = 0,38 Тл;
L ср = 2,9 см.
S 0 S с = 0,297 см 4 .
