Электроника ЧПУ — Расчет импульсного трансформатора

В методике расчета, описанной в [1], для определения минимального числа витков первичной обмотки W₁ и габаритной Р_габ (максимально допустимой) мощности трансформатора двухтактного преобразователя использованы формулы:

 ;    (1)

 ,    (2)

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, См².

Эти формулы позволяют выполнить приближенный расчет трансформатора. Но формальное следование приведенному в [1] 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 [1] максимальное значение магнитной индукции должно быть равно индукции насыщения: B_max=B_нас=0,38 Тл [2,3]. Вероятно, в [1] 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): U₁=285/2-1.6≈141 В. Из расчета по формуле (1) получаем W₁=11.24≈12 витков первичной обмотки.

Рис.1

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 [1] максимальный ток в первичной обмотке равен l_1max=P_исп/U₁=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 [1] 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 i₁ и вторичной i

2 обмотках трансформатора и полярность напряжения а рассматриваемый полупериод входного импульсного напряжения u₁, 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

    (3)

Размах тока намагничивания определяется длительностью полупериода ∆t:

    (4)

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 [2].

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 [1], 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_max(Тл) в замкнутом магнитопроводе может быть вычислена по известной формуле

 ,    (5)

где μ₀ = 4π·10⁷ Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума; μ_EFF — эффективная магнитная проницаемость материала магнитопровода; l_max — амплитуда тока намагничивания, А; W₁ — 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

    (6)

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 [1] 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 [5]. 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	So ,	SEFF ,	LEFF	АL ,	Частота преобразования. кГц
					30			40			50
					Рmax	N1	Imax	Рmax	N1	Imax	Рmax	N1	Imax
	см2	см2	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
К45×28Х8	6.16	0.667	11	1.52	164	90	0.12	219	68	0. 16	274	54	0.20
К45×28Х12	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 N₁ 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_1max + 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 [1] 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 N₁ 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 [6] выберем d₁=0,83мм, а с учетом изоляции d₁=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 [6], 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 N₂=45*(51/150)=15,3 ≈ 16 витков. Диаметр провода вторичной обмотки

 .

Заполнение окна трансформатора по меди

 ,

что соответствует  коэффициенту заполнения

 .

С учетом необходимости межслойной и межобмоточной изоляции среднее значение коэффициента заполнения может достигать K_m=0.35, а максимальное — K_m= 0.5 . Таким образом, условие размещения обмоток выполнено.

Уточним максимальное значение тока намагничивания с учетом того, что измеренное значение коэффициента индуктивности оказалось в 1.1 раза меньше табличного. Поэтому ток намагничивания I_max будет в 1.1 раза больше и составит 0.23 А, что в нашем примере не сильно отличается от табличного значения, 0.21 А. Суммарный ток коммутации в первичной обмотке при максимальном сетевом напряжении равен l_Σmax=1.77+0.23=2 А. Исходя из этого необходимо выбрать коммутирующие транзисторы с максимально допустимым током коллектора (стока) не менее l_дoп=1. 5*2=3 А. Максимальное напряжение на коммутирующих транзисторах (в закрытом состоянии) равно полному выпрямленному напряжению сети, поэтому максимально допустимое напряжение на коллекторе (стоке) должно быть не менее U_дoп=1.2*360=432 В. На этом расчет импульсного трансформатора завершен.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жучков В. Расчет трансформатора импульсного блока питания. — Радио, 1987, № 11. с. 43.

2. Справочная информация. Справочник по ферритам. Ферромагнитные материалы. — http://www.qrz.ru/reference/ferro/ferro.shtml

3. Михайлова М. М., Филиппов в. в., Муслеков В. П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. — М.: Радио и связь, 1983.

4 . Kнязев Ю., Сытник Г., Cоркин И. Блок ЗГ и питание комплекта ИК-2 . — Радио, 1974, № 4, с. 17.

5. Беребошкин д. Усовершенствованный экономичный блок питания. — Радио, 1985. № 6, с. 51,52.

6. Першин В. Расчет сетевого трансформатора источника питания . — Радио, 2004, № 5, с. 55-57.

С.КОСЕНКО, Радио, 2005, №4, с.35-37,44.

Применение аморфных магнитопроводов насыщения серии MSSA в многоканальных импульсных источниках питания

Автор: Фоченков Эдуард Анатольевич — ведущий инженер-конструктор ОАО «МСТАТОР»

 

Обычно в многоканальных импульсных источниках питания (ИИП) обратная связь по напряжению поступает с одного, наиболее важного выхода, на ШИМ – регулятор. Проблемой многоканальных ИИП является взаимная перекрёстная зависимость выходов. Нагружаем один канал – растёт напряжение в другом и наоборот. Происходит это потому, что в схеме только один ШИМ – регулятор и он не может обеспечить хорошую стабильность напряжения во всех каналах сразу. Для улучшения ситуации применяют различные способы, в частности:

● Суммируют напряжение с нескольких каналов и полученный сигнал подают на ШИМ-регулятор. Это позволяет уменьшить взаимное влияние до удовлетворительной величины в несколько процентов.

●   Применяют линейные регуляторы. В этом случае неизбежно дополнительное выделение тепла, и такие схемы становятся неэффективными при токе нагрузки более 1..2 А.

●  Применяют независимые импульсные субрегуляторы.  Этот вариант более эффективен, но требует значительного усложнения схемы, менее надёжен и увеличивает стоимость ИИП. Наибольшие сложности возникают в сильноточных низковольтных схемах, где велико падение напряжения на активном ключе.

Существует простой способ  радикального устранения указанной проблемы – применение в импульсных источниках, имеющих более одного выхода, дросселей магнитных усилителей. Они обеспечивают чрезвычайно точную регулировку каждого независимого выхода, очень эффективны, просты, надёжны и дёшевы. Магнитные усилители (МУ) особенно хорошо подходят к выходам с токами от одного до нескольких десятков ампер, хотя они используются и при более низких токах, там, где чрезвычайно важны хорошая стабильность напряжения и КПД. МУ очень удобны для управления выходным напряжением и током с помощью внешнего сигнала, для построения источников стабильного тока. МУ позволяют легко реализовать раздельную токовую защиту выходов, причём для каждого выхода сделать свой оптимальный порог ограничения тока. Они широко применяются в прямоходовых и двухтактных преобразователях.

Рис.1 Принцип работы дросселя магнитного усилителя.

 

МУ контролирует выход ИИП, изменяя ширину импульса, поступающего с вторичной обмотки трансформатора, до того как импульс будет усреднён выходным фильтром. Он делает это, отодвигая передний фронт импульса, как последовательный выключатель, который будет закрыт во время первой части импульса, а затем открыт для передачи импульса на выходной фильтр (См. Рис.1). Функция переключения выполняется насыщающимся дросселем, который представляет собой несколько витков толстого провода, навитых на кольцевой магнитопровод. Магнитопровод имеет очень прямоугольную петлю гистерезиса (до 99%).  В первый момент времени, последовательно включенный дроссель обладает очень большим импедансом и поэтому фактически блокирует передачу импульса с трансформатора на выходной фильтр. Через определённое время задержки b, дроссель МУ резко входит в насыщение, и его импеданс становится практически равен нулю, поэтому оставшаяся часть импульса беспрепятственно передаётся на выходной фильтр. Произведение амплитуды импульса на время задержки (вольт – секундная площадь задержки) определяется потоком магнитопровода и числом витков обмотки. Максимально возможная задержка получается тогда, когда магнитопровод перемагничивается по полному циклу от   – B_max до + B_max . При этом вольт – секундная площадь задержки будет равна произведению числа витков обмотки на величину двойного (максимального) потока магнитопровода 2Ф_m:

Но не всегда магнитопровод перемагничивается по полному циклу. Точкой возврата можно легко управлять малым током I_c (ток управления), подаваемым в обратном направлении в обмотку дросселя в момент закрытия силового выпрямителя. В этом случае магнитопровод работает по частному циклу. В одну сторону по петле гистерезиса (ПГ) он намагничивается до полного насыщения B_m, а в другую — до некоторой величины B_I, в зависимости от величины тока управления. Таким образом, можно регулировать время задержки b в широких пределах — от 0 (максимальное выходное напряжение) до длительности импульса (полное отключение выхода). Максимальная величина тока управления, достаточная для возврата в состояние насыщения –B_max,  определяется коэрцитивной силой магнитопровода на частоте переключения.

При выходных токах в несколько десятков ампер, ток управления обычно не превышает десятков миллиампер. Поэтому эти устройства и называют магнитными усилителями. Малым током управления объясняется высокая надёжность и эффективность устройств с МУ. В сильноточной цепи находится только обмотка дросселя, все элементы управления находятся в слаботочной цепи, поэтому они малогабаритны и дёшевы. Иногда вместо термина МУ применяют термин «магнитный ключ», т.к. переключение происходит очень резко, с крутым фронтом. Это объясняется формой петли гистерезиса. На боковых ветвях B-H характеристики дифференциальная магнитная проницаемость для аморфного сплава очень велика, поэтому велик и импеданс, пока магнитопровод не войдёт в насыщение. Высочайшая прямоугольность ПГ обеспечивает очень резкий переход в насыщение и крайне низкую дифференциальную магнитную проницаемость на участке насыщения. За счёт этого на участке насыщения дроссель имеет ничтожный импеданс и беспрепятственно пропускает входной импульс на выпрямитель.  

Есть ещё одна положительная особенность источников питания с применением МУ. На Рис.1  видно, что ток I_d через силовой транзистор преобразователя в первый момент времени мал, т.к. нагрузка фактически отключена дросселем МУ. В этот момент времени ток I_d определяется током холостого хода трансформатора. Это приводит к росту КПД преобразователя, поскольку на фронтах включения/выключения транзистор находится в активном режиме, и в нём выделяется значительная энергия. Потери энергии в самом дросселе МУ складываются из потерь на перемагничивание и потерь в обмотке и обычно  не превышают 1..2 Вт.

 

Расчёт дросселя магнитного усилителя

Перед началом разработки дросселя необходимо определить цель – только регулировка и поддержание нужного напряжения на выходе или то же с возможностью  отключения выхода. Если выход должен быть защищён от короткого замыкания в нагрузке путём ограничения тока или нужно обеспечить стабилизацию выходного тока, то обязательно дроссель должен быть рассчитан для отключения выхода.

1. Определение требуемой вольт – секундной площади задержки:

V – амплитуда импульса, поступающего на дроссель, В;

t – максимальная требуемая задержка переднего фронта импульса (b на Рис.1),  мкс;

1.2 – коэффициент, учитывающий переходные процессы при включении и снижение индукции материала при нагреве.

 

2.   Определение требуемой величины произведения W_aA_c (W_a – площадь окна (по внутреннему диаметру) сердечника, A_c – эффективная площадь поперечного сечения магнитопровода).

2.1. Грубая оценка  диаметра провода на основе выходного тока.

d – диаметр провода, мм;

I – выходной ток, А.

 

Диаметр провода выбирают в зависимости от условий охлаждения. Для принудительной конвекции может быть выбран более тонкий провод. Полученная величина диаметра провода далее уточняется более точным расчётом исходя из допустимого перегрева, который обычно принимается равным 20…30º С. Важно, чтобы при максимальной температуре внешней среды, температура магнитопровода не превысила 100 ºС для аморфных сплавов (серия MSSA) и 120 ºС для нанокристаллических (серия MSSN).  На практике, так как количество витков обмотки обычно небольшое, а условия охлаждения хорошие (провод открыт), часто допустимы большие плотности тока в обмотке, превышающие в разы соответствующие значения для низкочастотных трансформаторов.

 

2.2. Выбор коэффициента заполнения окна магнитопровода.

Для наиболее распространённых размеров магнитопровода от 12 до 25 мм и диаметре провода от 0.7 до 1.4 мм коэффициент заполнения К обычно принимается равным 0.3. Для большего диаметра провода или при использовании многожильного провода  лучше использовать величину К = 0.2.

 

2.3. Расчёт произведения площади окна на эффективную площадь сечения W_aA_c.

A_w – площадь сечения провода в см²;

B_m – магнитная индукция насыщения (максимальная) в Теслах;

Λ – вольт – секундная площадь задержки, В×сек.

 

2.4. Выбираем подходящий типоразмер магнитопровода по величине W_aA_c  из таблицы 1.

Таблица 1

Тип	Габаритные размеры, мм (внешн. диам. – внутр. диам. – высота)	Длина средней линии Lm, (см) Эффект.	Сечение Ac, (см2)	Площадь окна Wa, (см2)	WaAc (см4)	Масса (г)	Параметры ПГ @ F=100 КГц, Нm=1Э (80 А/м), 25°С
							Полный поток 2Фm (мкВб)	Коэрцит. Сила Hc (А/м)	Коэфф. Прямоуг. Br/Bm (%)
	В контейнере	Номин.	Номин.	Номин.	Номин.	Номин.	±13%	Max	Min
MSSA-10S-L,N	11.9-5.8-6.3	2.70	0.0474	0.264	0.0125	1.0	5.5	17	96
MSSA-11A-L,N	14.0-6.6-6,3	2.99	0.0374	0.342	0.0128	0.9	4.3
MSSA-11S-L,N	14.0-6. 6-6,3	2.99	0.0562	0.342	0.0192	1.3	6.6
MSSA- 12A-L,N	14.0-6.6-4,8	3.10	0.0468	0.342	0.0160	1.1	5.4
MSSA-10B-N	11.2-5.7-5.7	2.59	0.0594	0.255	0.0151	1.2	6.9
MSSA-13B-L,N	14.7-7.8-5.1	3.48	0.0412	0.478	0.0197	1.1	4.8
MSSA-15A-L,N	16.7-10.5-6.3	4.22	0.0527	0.870	0.0458	1.7	6.1
MSSA-15S-L,N	16. 9-8.6-6.5	3.87	0.09	0.785	0.0706	2.7	10.5
MSSA-16A-L,N	17.8-8.3-8.1	4.01	0.144	0.541	0.078	4.4	16.7
MSSA-18S-L-N	19.8-10.4-6.4	4.65	0.1053	0.849	0.0893	3.8	12.2
MSSA-21S-L,N	22.8-12.4-6.3	5.42	0.1229	1.207	0.148	5.1	14.3
MSSA-19A-L,N	21.6-11.0-7.9	4.98	0.1591	0.950	0.151	6.1	18.5
MSSA-20A-L,N	22. 5-10.4-10.1	5.01	0.234	0.849	0.199	9.0	27.1

* Коэффициент прямоугольности B_r/B_m @ 1 КГц, 80А/м:  N – тип термообработки (86 %), L – тип (93%).

 

3.Расчёт требуемого числа витков обмотки.

Λ – вольт – секундная площадь, В×мкс;

2Ф_m – полный (двойной) поток из таблицы 1, мкВб;

0.87 – коэффициент, учитывающий разброс значений по потоку (-13%).

 

4. Расчёт потерь и перегрева.

Потери в дросселе магнитного усилителя состоят из потерь на перемагничивание магнитопровода и потерь на активном сопротивлении обмотки.

4.1. Для определения удельных потерь в магнитопроводе определяют величину  амплитуды индукции частного цикла перемагничивания

B – амплитуда индукции, Тл;

Λ – вольт – секундная площадь, В×мкс;

N – число витков обмотки;

A_c – эффективная площадь сечения магнитопровода, см².

 

Приблизительно удельные потери можно оценить  по формулам, полученным методом аппроксимации и приведённым ниже, или взять из графиков на Рис.2 и Рис.3.

Для магнитопроводов серии MSSA-L (термообработка в продольном магнитном поле):

P_cm – удельные потери в магнитопроводе, Вт/кг;

f – частота, кГц;

B – амплитуда индукции, Тл.

Рис.2. Магнитопроводы MSSA-L. Типовая зависимость потерь от частоты и амплитуды индукции.

 

Для магнитопроводов серии MSSA-N (термообработка без поля):

Рис.3. Магнитопроводы MSSA-N. Типовая зависимость потерь от частоты и амплитуды индукции.

 

После определения удельных потерь в Вт/кг, определяют величину потерь в магнитопроводе, умножив полученное значение удельных потерь на вес выбранного магнитопровода, взятый из табл.1.

P_с – потери, Вт;

m – масса магнитопровода, кг.

 

Для определения потерь в проводе сначала определяют длину провода и далее определяют его сопротивление через значение удельного сопротивления  из табл. 2. На высоких частотах сказывается скин-эффект. Для его учёта определяют величину

d – диаметр провода, см;

f – частота, кГц.

 

И далее по графику Рис.4 находят поправочный коэффициент R_ac/R_dc.

 

Таблица 2

Типоразмер провода AWG	Диаметр см.	Площадь сечения см2×103	Сопротивление на единицу длины, мОм/см		Допустимый ток, ma
			20ºС	100ºС
10	0.272	58.12	0. 033	0.044	25960
11	0.2431	46.40	0.041	0.055	20565
12	0.2172	37.04	0.052	0.070	16323
13	0.1943	29.65	0.066	0.088	12960
14	0.1737	23.71	0.083	0.111	10275
15	0.1557	19.04	0.104	0.140	8150
16	0.1392	15.22	0.132	0.176	6450
17	0. 125	12.27	0.166	0.222	5125
18	0.1118	9.810	0.209	0.280	4063
19	0.1003	7.905	0.264	0.353	3225
20	0.08966	6.314	0.333	0.445	2563
21	0.08062	5.092	0.420	0.561	2038
22	0.07216	4.089	0.530	0.708	1600
23	0.06476	3.294	0.668	0.892	1275
24	0. 05814	2.655	0.842	1.125	1010
25	0.05230	2.148	1.062	1.419	801
26	0.04697	1.733	1.339	1.789	633
27	0.04189	1.378	1.689	2.256	504
28	0.03759	1.110	2.129	2.845	398
29	0.03408	0.9121	2.685	3.587	319
30	0.03048	0.7297	3.386	4.523	250
31	0. 02747	0.5928	4.269	5.704	198
32	0.02489	0.4864	5.384	7.192	160
33	0.02235	0.3922	6.789	9.070	126
34	0.01981	0.3081	8.560	11.43	99
35	0.01778	0.2483	10.795	14.42	79
36	0.01600	0.2012	13.612	18.18	63
37	0.01448	0.1647	17.165	22.93	51
38	0. 01295	0.1317	21.644	28.91	40
39	0.01142	0.1024	27.293	36.46	31
40	0.01016	0.0811	34.417	45.98	24

R_ac – сопротивление провода переменному току;

R_dc – сопротивление провода постоянному току.

Рис.4 Поправочный коэффициент, учитывающий скин-эффект.

 

Далее определяют потери в обмотке

P_w – потери в обмотке;

I_rms – средне квадратичное значение тока.

I_out – выходной ток, А;

D – отношение длительности импульса (на выходе дросселя магнитного усилителя) к периоду.

 

4.3 Далее считаются общие потери в дросселе

P – общие потери в дросселе, Вт.

Перегрев дросселя оценивается по формуле

А — площадь поверхности дросселя, см².

Дроссель для расчёта площади поверхности упрощённо рассматривается как цилиндр с диаметром, равным диаметру магнитопровода + 2 толщины обмотки, и высотой, равной высоте магнитопровода + 2 толщины обмотки.

 

Проектирование схемы управления

На Рис.5 представлена одна из простейших и наиболее популярных схем, обеспечивающая очень стабильное выходное напряжение и минимальная по цене. Она рекомендуется в тех случаях, когда требуется только регулировка, когда минимальный ток нагрузки больше критического тока дросселя L2, и когда не требуется ограничение тока. В этом случае источник питания содержит устройство ограничения тока на первичной стороне, которое защищает все выходы вместе.

Рис.5 Пример схемы управления.

 

Назначение резистора R1 – сделать схему некритичной к изменениям коэффициента передачи по току транзистора VT1.

Резистор R1 выбирают так, чтобы при максимальном токе регулирования на нём падало напряжение 1 В.

Резистор R2 выбирают так, чтобы в нормальном режиме работы VT1 ток в цепи  резистора R2 был по крайней мере, 1 мА (рекомендуется 2 мА). Ток анода VD4 не менее 1 мА требуется для обеспечения точного опорного уровня 2.5 В.

Резистор R3 выбирают так, чтобы на выходе усилителя ошибки поддерживалось напряжение, по крайней мере, на 3..4 В ниже напряжения питания усилителя. В данном случае, для TL431, это не критично, но для большинства универсальных ОУ падение напряжение на резисторах R2 и R3 должно быть не менее 4 В.

   Основой схемы является регулируемый источник опорного напряжения TL431. Для обеспечения точного опорного уровня 2.5 В требуется ток анода не менее 1 мА. Делитель R5, R6 задаёт выходное напряжение, и выбирается таким образом

Резистор R6 выбирается так, чтобы ток через делитель был не менее 1 мА.

Отметим, что в данной конструкции R1, R2 и R5 привязаны к выходу регулятора. Это устраняет необходимость в отдельном источнике питания и значительно упрощает схему. Если магнитный усилитель выполняет функцию ограничения выходного тока, R1 и R2 должны быть привязаны к вспомогательному напряжению, обычно 12…15 В.

 

Элементы R4 и C1 выбирают для стабилизации петли обратной связи. Для этого:

1.Оценивают угловую частоту комбинации модулятор/фильтр.

Угловая частота фильтра:

Угловая частота комбинации модулятор/фильтр будет выше

G – усиление по постоянному току (обычно выбирается от 2 до 6). Выбрав среднее значение   G

= 4, частота будет сдвинута вверх коэффициентом  . Следовательно

2.Выбор коэффициента усиления усилителя обратной связи производится в соответствии с формулой

3.Отсюда выбирается величина R4

4.Далее рассчитывают величину C1

Это очень упрощённая процедура, которая обязательно должна уточняться на практике. Устойчивость петли обратной связи проверяют с помощью переключения нагрузки от половины к полной и наоборот. Для правильно спроектированной схемы при этом возникает возмущение выходного напряжения, которое восстанавливается экспоненциально в течение долей миллисекунды без значительного «звона».

 

Пример разработки

Для иллюстрации методики разработки произведём проектирование выходного регулятора магнитного усилителя с выходными параметрами: 12 В, 10А. Конфигурация схемы на Рис.5. Рабочая частота преобразователя – 100 кГц. Форма входного  напряжения с выходной обмотки трансформатора – меандр с амплитудой 40 В. См. Рис. 6. Предполагается, что МУ не используется для ограничения выходного тока и для отключения выхода, а применяется только для стабилизации выходного напряжения  при изменениях напряжения в сети и тока нагрузки.

Рис. 6  Диаграммы напряжения для схемы Рис.4.

 

1. Определение вольт – секундной площади Λ, которую должен выдерживать дроссель, не входя в насыщение:

Чтобы найти максимальное время задержки t, нужно сначала найти длительность импульса  τ на выходе дросселя L1.

U_m – амплитуда импульса;

T – период.

Тогда

Отсюда максимальное время задержки переднего фронта импульса t = 5 мкс – 3 мкс = 2 мкс.

Тогда

2. Определение требуемой величины произведения W_aA_c магнитопровода:

Диаметр провода обмотки

Для  американского ряда  это соответствует 14AWG (1.74 мм) См. табл. 2. Для удобства намотки лучше взять провод вдвойне. При этом площадь сечения должна быть примерно та же. Это 17 AWG (1.25 мм).

Для провода диаметром 1.25 мм выбираем коэффициент заполнения окна К = 0.3.

Тогда

B_m = 0.56 Тл – минимальное значение амплитуды индукции для кобальтовых аморфных сплавов.

По таблице 1 выбираем магнитопровод, имеющий W_aA_c не менее полученного значения. Выбираем MSSA-18S-L, имеющий W_aA_c = 0.0893 см⁴.  Величина двойного потока (при T=25º C)     2Ф_m = 12. 2 мквб.

3. Число витков обмотки

4. Размах индукции частного цикла

5. Потери в магнитопроводе

6. Потери в обмотке

По геометрическим размерам магнитопровода определяем длину провода одного витка и далее, умножая на число витков, получаем длину провода обмотки. Для данного типоразмера магнитопровода размеры в контейнере 19.8 – 10.4 – 6.4. Длина витка l = 1.2(2×4.7+2×6.4) = 26.64 мм = 2.7 см. (Иногда проще и точнее получить это значение экспериментально).  Для десятивитковой обмотки длина провода L = 27 см.

Для учёта скин-эффекта определим

По графику Рис.3  определим R_ac/R_dc = 1.8

Сопротивление обмотки в два провода 17 AWG  на частоте 100 кГц при температуре 100ºС:

7. Определение перегрева

Для расчёта поверхность дросселя с учётом обмотки рассматривают как цилиндр диаметром 19.8 + 2×1.25 = 22.3 мм = 2.23 см и высотой 6.4 + 2×1.25 = 8.9 мм = 0.89 см (обмотка для упрощения рассматривается как однослойная).

Площадь поверхности

Перегрев дросселя

Это значение можно уменьшить методом последовательных приближений, как показано ниже. Изменяя в небольших пределах диаметр провода и число витков, ищут оптимум по минимуму ∆T.

8. Определение тока управления

A_c = 0.1053 см² – эффективная площадь сечения магнитопровода из табл.1.

L_m = 4.65 см  — длина средней линии магнитопровода из табл.1

Проанализировав полученные результаты, делаем следующие выводы:

1. Ток управления немного высок – возникнет излишнее выделение тепла на возвратном транзисторе.
2. Потери в магнитопроводе высоки и значительно превышают потери в обмотке.
3. Возможно, число витков обмотки можно увеличить, чтобы снизить индукцию (для снижения потерь в магнитопроводе и снижения тока управления).

Так как потери в обмотке малы по сравнению с потерями в магнитопроводе, можно уменьшить диаметр провода и за счёт этого увеличить число витков.

Выберем провод 18 AWG (1.1 мм).  Площадь поперечного сечения двух проводников равна:

Максимальное число витков, исходя из коэффициента заполнения K = 0.3, будет:

Новая магнитная индукция равна:

Таким образом, для нашего примера мы имеем:

Магнитопровод: MSSA-18S-L

Обмотка: 14 витков провода 2×18 AWG (1.1 мм)

Перегрев магнитопровода: 35ºC (естественная конвекция)

Ток возврата: 38 мА

9. Выбор возвратного транзистора

Максимальное напряжение коллектора определяется суммой выходного напряжения (12 В) и амплитуды импульса (40 В) и для нашего примера должно быть не ниже 60 В. Коэффициент усиления по току должен быть высоким, чтобы коэффициент усиления петли ОС не зависел от транзистора. Мощность, выделяемая транзистором, оценивается как произведение тока управление на среднее напряжение коллектор — эмиттер. В течение половины периода, т.е. 5 мкс, когда напряжение на выходе L1 отрицательно,  напряжение на коллекторе     — 40 + 16 = — 24 В. Напряжение на эмиттере +12 В. Напряжение на переходе коллектор-эмиттер будет 36 В. Во время оставшейся части периода коллектор заземлён через диод VD2. Напряжение на переходе коллектор-эмиттер будет 12 В. Среднее по периоду напряжение на переходе коллектор-эмиттер (24+12)/2 = 18 В. Мощность, выделяемая транзистором, равна  38 мА×18 В = 684 мВт. По этим данным выбираем недорогой транзистор BDX 54C, имеющий максимальное напряжение коллектор – эмиттер 100 В, h_21Э  не менее 750, корпус: TO-220AB.

 

10. Выбор резистора эмиттера R1

11. Выбор R2

12. Выбор R3

В этом случае используют напряжение насыщения база-эмиттер V_BESAT, оно выше V_BE.

13. Выбор R4 и R5

14. Расчёт угловой частоты комбинации модулятор/фильтр

Величина индуктивности выходного дросселя L2 обычно рассчитывается по формуле

Величину I_min  обычно выбирают как 10% от максимального выходного тока, т. е. в данном случае 1 А.

Конденсатор выходного фильтра С2 выбирают так, чтобы он обеспечивал достаточно низкий импеданс на частоте пульсаций, для обеспечения размаха пульсаций на выходе устройства не более заданного. В нашем случае для обеспечения размаха пульсаций менее 100 мВ (амплитуда 50 мВ).

Импеданс конденсатора С2

Для алюминиевых электролитических конденсаторов значение ESR доминирует над импедансом. Исходя из этих соображений, в нашем случае выбран номинал 4700 мкФ, 16 В.

15. Расчёт коэффициента усиления усилителя обратной связи

16. Расчёт R4

17. Расчёт С1

 

Варианты схем управления

Кроме приведённого варианта на TL431, усилитель обратной связи можно выполнить на универсальных операционных усилителях. Для их использования потребуется дополнительное питание (обычно 15 В). Существуют и специализированные контроллеры магнитных усилителей, например UC3838A, LPR30, UC19431 и другие. Информацию по применению таких контроллеров можно найти на сайте производителя. Как иллюстрацию привожу типовую схему включения контроллера UC3838A (Рис.7), позволяющую обеспечить управление и по току и по напряжению.

Рис. 7. Типовая схема применения контроллера магнитного усилителя UC3838A.

 

При выборе силовых высокочастотных выпрямительных диодов, если применяются диоды Шоттки, следует особо обратить внимание на величину их максимального обратного тока. Величина обратного тока должна быть на порядок меньше тока управления. Многие диоды Шоттки, особенно низковольтные, имеют значительные обратные токи, и их применение может привести к сужению диапазона регулирования (обратный ток утечки диода VD3.1 на Рис.5 суммируется с током управления). Заметим, что в схемах с МУ не требуются классические демпферные RC цепочки, включаемые параллельно силовым выпрямительным диодам. Сам дроссель МУ эффективно блокирует возникновение высокочастотных колебаний, связанных с конечным временем восстановления диодов. На вывод второго диода надевается миниатюрный помехоподавляющий магнитопровод (amobead), образующий последовательный одновитковый дроссель, или последовательно с диодом включается дополнительно многовитковый помехоподавляющий магнитопровод (Spike Killer) с обмоткой в несколько витков. О применении этих изделий писалось в журнале «Радио №2 за 2003г.» Информация эта есть также на сайте на страничке «Помехоподавляющие магнитопроводы\применение».

В результате последних достижений технологии быстрого охлаждения расплавов появилась новая серия нанокристаллических магнитопроводов MSSN, отличающаяся повышенной индукцией (1.2 Тл), более высокой рабочей температурой (120 ºС), лучшей температурной стабильностью и меньшей ценой. За счёт высокой индукции возможно уменьшение размеров дросселей насыщения. Эта серия может быть более оптимальным выбором по критерию цена/качество, особенно  на не слишком высоких частотах. Порядок расчёта дросселей МУ на основе этой серии в целом такой же, но данные нужно взять из таблицы 3.

Таблица 3

Тип	Габаритные размеры, мм (внешн. диам. – внутр. диам. – высота)	Длина средней линии Lm, (cм)	Эффект. Сечение Ac, (см2)	Площадь окна Wa, (см2)	WaAc (см4)	Масса (г)	Параметры ПГ @ F=100 КГц, Нm=1Э (80 А/м), 25°С
							Полный поток 2Фm (мкВб)	Коэрцит. сила Hc (А/м)	Коэфф. прямоуг. Br/Bm (%)
	В контейнере	Номин.	Номин.	Номин.	Номин.	Номин.	±13%	Max	Min
MSSN-10В-L	11.9-5.8-6.3	26.39	0.0562	0.26	0.0146	1.09	13.5	35.0	97
MSSN-11S-L	14.0-6.6-6.3	29.85	0.0527	0.34	0.0179	1.15	12.6
MSSN-13В-L	14.7-7.8-5. 1	35.03	0.0412	0.49	0.020	1.06	9.9
MSSN-15S-L	16.9-8.6-6.5	46.18	0.0880	0.59	0.052	2.53	21.1
MSSN-18S-L	19.8-10.4-6.4	46.18	0.0948	0.85	0.080	3.22	22.7

Значение потерь в магнитопроводе P_c можно взять из соответствующих графиков (Рис. 8) зависимости потерь от частоты и амплитуды индукции, или определить по приближённой формуле:

P_с – удельные потери, Вт/кг;

∆B = 2B  – размах индукции частного цикла, Тл;

f – частота преобразователя, КГц.

Рис. 8.  Магнитопроводы MSSN. Типовая зависимость удельных потерь (P_cm) от частоты и амплитуды индукции.

 

Указанная методика расчёта требует обязательного уточнения экспериментальным путём.

 

Э.Фоченков, edf01@yandex.ru

Скачать статью

 

Power Electronics • Просмотр темы

Дальнейшие соображения по проектирования несимметричного тиристорного инвертора (дополнение к ранее сказанному).
По своей сути, несимметричный тиристорный инвертор является классической ступенью повышающего преобразователя (boost). И это накладывает определённые ограничения на отношения длительности резонансного процесса к периоду преобразования. Например, если эти величины равны, то напряжение на резонансном конденсаторе стремиться к весьма большой величине.
Следовательно, при выборе резонансной частоты преобразователя (не путать с частотой преобразования) мы должны руководствоваться некоторыми правилами.
1. Исходя и передаваемой мощности Pd, частоты F, эффективности kpd и максимального напряжения Ucm на резонансном конденсаторе Cr, определим минимальное напряжение Ucn на Cr. 2*1.2e-6)=10мкГн
Так как результирующее значение Lr определяется комплексным действием нагрузки и индуктивностей трансформатора, этот параметр требует подгонки в симуляторе (или на реальном образце, подбором величины немагнитного зазора).
Моделирование показывает, что напряжение Ucm и Pd сильно зависят от индуктивности намагничивания первичной обмотки трансформатора (при возрастании Lr, растут Ucm и Pd). Однако это не должно вызывать сильного опасения, так как эта величина определяется величиной немагнитного зазора и поэтому достаточно стабильна.

Кроме этого, если вы хотите получить невысокую амплитуду напряжения на резонансном конденсаторе (до 1000В), то не надо увеличивать коэффициент трансформации более чем 4/1 (например, здесь приводились конструкции со значениями 5/1 и 6/1). Конечно, в последнем случае можно будет использовать более низковольтные диоды в выпрямителе, но потребуются более высоковольтные тиристор и обратный диод (на 1200 и более вольт).

_________________
«Древние украли все наши лучшие идеи!»
— Марк Твен.

Как спроектировать свой собственный инверторный трансформатор

Разработка инверторного трансформатора может быть сложной задачей. Однако использование различных формул и использование одного практического примера, показанного здесь, в конце концов, сделают необходимые операции очень простыми.

В данной статье на практическом примере объясняется процесс применения различных формул для создания инверторного трансформатора. Различные формулы, необходимые для проектирования трансформатора, уже обсуждались в одной из моих предыдущих статей.

Обновление: подробное объяснение можно также изучить в этой статье: Как сделать трансформаторы

Проектирование инверторного трансформатора

Инвертор — это ваша личная электростанция, которая может преобразовать любой сильный источник постоянного тока в легко используемый Мощность переменного тока, очень похожая на мощность, получаемую от розеток переменного тока в вашем доме.

Хотя инверторы сегодня широко доступны на рынке, разработка собственного индивидуального инверторного блока может доставить вам огромное удовлетворение и, более того, это очень весело.

В Bright Hub я уже опубликовал множество схем инверторов, от простых до сложных синусоидальных и модифицированных синусоидальных схем.

Однако люди продолжают спрашивать меня о формулах, которые можно легко использовать для проектирования инверторного трансформатора.

Популярный спрос побудил меня опубликовать одну такую ​​статью, в которой подробно рассматриваются расчеты конструкции трансформатора. Хотя объяснение и содержание были на должном уровне, к сожалению, многие из вас просто не смогли понять процедуру.

Это побудило меня написать эту статью, которая включает в себя один пример, подробно иллюстрирующий, как использовать и применять различные шаги и формулы при разработке собственного трансформатора.

Давайте быстро рассмотрим следующий прилагаемый пример: Предположим, вы хотите спроектировать инверторный трансформатор для инвертора на 120 ВА, используя 12-вольтовый автомобильный аккумулятор в качестве входа и требуя 230 вольт на выходе. Теперь, если просто разделить 120 на 12, получится 10 ампер, это станет требуемым вторичным током.

Хотите узнать, как спроектировать базовые схемы инвертора?

В следующем пояснении первичная сторона упоминается как сторона трансформатора, которая может быть подключена к стороне батареи постоянного тока, в то время как вторичная сторона означает выходную сторону 220 В переменного тока.

Имеющиеся данные:

• Вторичное напряжение = 230 Вольт,
• Первичный ток (выходной ток) = 10 ампер.
• Первичное напряжение (выходное напряжение) = 12-0-12 вольт, что равно 24 вольт.
• Выходная частота = 50 Гц

Расчет напряжения инверторного трансформатора, тока, количества витков

Шаг № 1 : Сначала нам нужно найти площадь сердечника CA = 1,152 × √ 24 × 10 = 18 кв. См, где 1,152 — постоянная величина.

Мы выбираем CRGO в качестве основного материала.

Шаг № 2 : Расчет оборотов на вольт TPV = 1 / (4,44 × 10 ^–4 × 18 × 1,3 × 50) = 1,96, за исключением 18 и 50, все являются константами.

Шаг № 3 : Расчет вторичного тока = 24 × 10/230 × 0,9 (предполагаемый КПД) = 1,15 А,

Сопоставив вышеуказанный ток в таблице A, мы получаем приблизительное значение вторичного медного провода толщина = 21 SWG.

Следовательно, количество витков вторичной обмотки рассчитывается как = 1,96 × 230 = 450

Шаг 4: Затем Площадь вторичной обмотки становится = 450/137 (из таблицы A) = 3 .27 кв. См.

Теперь, требуемый первичный ток составляет 10 А, поэтому из Таблицы A мы сопоставим эквивалентную толщину медного провода = 12 SWG.

Шаг № 5 : Расчет первичного числа витков = 1,04 (1,96 × 24) = 49. Значение 1,04 включено, чтобы обеспечить добавление нескольких дополнительных витков к общему количеству, чтобы компенсировать потери в обмотках.

Шаг № 6 : Расчет площади первичной обмотки = 49/12. 8 (из таблицы A) = 3,8 кв. См.

Следовательно, Общая площадь намотки составляет = (3,27 + 3,8) × 1,3 (площадь изоляции добавлена ​​на 30%) = 9 кв. См.

Шаг № 7 : Расчет общей площади получаем = 18 / 0,9 = 20 кв. См.

Шаг 8: Далее ширина языка становится = √20 = 4,47 см.

Обращаясь к Таблице B еще раз, используя указанное выше значение, мы завершаем тип ядра примерно равным 6 (E / I) .

Шаг # 9 : Наконец рассчитывается стек as = 20 / 4,47 = 4,47 см

Таблица A

SWG ——- (AMP) ——- Обороты за кв. см.
10 ———— 16,6 ———- 8,7
11 ———— 13,638 ——- 10,4
12- ———- 10,961 ——- 12,8
13 ———— 8,579 ——— 16,1
14 —— —— 6,487 ——— 21,5
15 ———— 5,254 ——— 26,8
16 ——- —- 4,151 ——— 35,2
17 ———— 3,178 ——— 45. 4
18 ———— 2,335 ——— 60,8
19 ———— 1,622 ——— 87,4
20 ———— 1,313 ——— 106
21 ———— 1,0377 ——— 137
22— ——— 0,7945 ——— 176
23 ———— 0,5838 ——— 42
24 —— —— 0,4906 ——— 286
25 ———— 0,4054 ——— 341
26 ——- —- 0,3284 ——— 415
27 ———— 0,2726 ——— 504
28 ——— — 0,2219 ——— 609
29 ———— 0,1874 ——— 711
30 ———— 0,1558 ——— 881
31 ———— 0.1364 ——— 997
32 ———— 0,1182 ——— 1137
33 ———— 0,1013- ——— 1308
34 ———— 0,0858 ——— 1608
35 ———— 0,0715 — —— 1902
36 ———— 0,0586 ———- 2286
37 ———— 0,0469 —- —— 2800
38 ———— 0,0365 ———- 3507
39 ———— 0,0274 —- —— 4838
40 ———— 0,0233 ———- 5595
41 ———— 0,0197 —- —— 6543
42 ———— 0,0162 ———- 7755
43 ———— 0,0131 —- —— 9337
44 ———— 0. 0104 ——— 11457
45 ———— 0,0079 ——— 14392
46 ———— 0,0059- ——— 20223
47 ———— 0,0041 ——— 27546
48 ———— 0,0026 — —— 39706
49 ———— 0,0015 ——— 62134
50 ———— 0,0010 —— —- 81242

Таблица B

Тип ——————- Язык ———- Обмотка
№—- —————— Ширина ————- Площадь
17 (E / I) ———— ——— 1,270 ———— 1,213
12A (E / 12I) ————— 1,588 —- ——- 1.897
74 (E / I) ——————— 1,748 ———— 2,284
23 (E / I) — —————— 1.905 ———— 2.723
30 (E / I) ———— ——— 2.000 ———— 3.000
21 (E / I) ——————— 1.588- ———- 3.329
31 (E / I) ——————— 2.223 ———— 3,703
10 (E / I) ——————— 1,588 ———— 4,439
15 (E / I) — ——————- 2.540 ———— 4.839
33 (E / I) ———— ———- 2,800 ———- 5,880
1 (E / I) ——————— —2. 461 ———- 6.555
14 (E / I) ——————— 2.540 ———- 6.555
11 (E / I) ——————— 1.905 ——— 7.259
34 (U / T) ——————— 1/588 ——— 7.259
3 (E / I) — ——————— 3,175 ——— 7,562
9 (Е / Т) ———— ———— 2.223 ———- 7.865
9А (U / T) ——————— 2,223 ———- 7,865
11A (E / I) ——————- 1,905 ———— 9.072
4A (E / I) ——————— 3.335 ———— 10.284
2 (E / I) — ———————- 1.905 ———— 10.891
16 (английский / русский) ——— ————- 3.810 ———— 10.891
5 (E / I) ———————- 3.810 ———— 12.704
4AX (U / T) —————- 2.383 ———— 13.039
13 (E / I) ————— —— 3,175 ———— 14,117
75 (U / T) ——————- 2,540 —- ——- 15,324
4 (E / I) ———————- 2,540 ———- 15,865
7 (E / I) ———————- 5. 080 ———— 18.969
6 (E / I) — ——————— 3.810 ———- 19.356
35A (U / T) ———— —— 3.810 ———- 39.316
8 (E / I) ——————— 5.080 — ——- 49.803

Расчет витков ферритового трансформатора для высокочастотного / импульсного преобразователя

На разных форумах я часто нахожу людей, которые просят помощи в расчет необходимых витков для ферритового трансформатора, который они собираются использовать в высокочастотных инверторах / SMPS.В высокочастотном инверторе / SMPS ферритовый трансформатор используется в повышающем / повышающем каскаде, где низковольтный постоянный ток от аккумуляторной батареи повышается до высокого напряжения постоянного тока. В этой ситуации есть действительно только два варианта при выборе топологии — двухтактный и полный мост. Что касается конструкции трансформатора, разница между двухтактным и полным мостом трансформатор для того же напряжения и мощности будет таким же, как у двухтактного трансформатора. потребуется центральный кран, то есть потребуется вдвое больше основных получается как полномостовой трансформатор.

Расчет необходимых поворотов на самом деле довольно прост, и я объясните это здесь.

Для объяснения я воспользуюсь примером и пройдусь по расчетный процесс.

Допустим, ферритовый трансформатор будет использоваться в 250 Вт инвертор. Выбранная топология — двухтактная. Источник питания — 12 В аккумулятор. Выходное напряжение ступени преобразователя постоянного тока будет 310 В. Переключение частота 50 кГц. Выбранное ядро ​​- ETD39. Помните, что на выходе трансформатора будет высокочастотный переменный ток (в данном случае прямоугольная волна 50 кГц).Когда я говорю о выходе высокого напряжения постоянного тока (например, 310 В постоянного тока, упомянутого выше), это выход постоянного тока, полученный после выпрямления (с использованием сверхбыстрых восстанавливающих диодов, настроенных как мостовой выпрямитель) и фильтрации (с использованием LC-фильтра).

Во время работы напряжение аккумулятора не остается на фиксированном уровне. 12 В. При высоких нагрузках напряжение будет меньше 12 В. С небольшими нагрузками и аккумулятор почти полностью заряжен, напряжение может быть выше 13 В. Так должно быть Следует иметь в виду, что входное напряжение не постоянное, а переменное.В инверторы, низкий уровень заряда батареи обычно устанавливается на 10,5 В. Итак, мы примем это как самое низкое возможное входное напряжение.

Винмин = 10,5 В

Формула расчета количества необходимых первичных оборотов составляет:

Для нашего двухтактного трансформатора это будет вдвое меньше. необходимое количество витков.

N _pri означает количество витков первичной обмотки; N _сек означает количество вторичных витков; N _aux означает количество вспомогательных получается и тд.Но просто N (без индекса) относится к коэффициенту поворота.

Для расчета необходимого количества витков первичной обмотки используйте формула, параметры или переменные, которые необходимо учитывать:

• Vin _{(номинал)} — Номинальное входное напряжение. Что ж возьмите это как 12В. Итак, Вин _(ном) = 12.
• f — рабочая частота переключения в герцах. С наша частота коммутации 50 кГц, f = 50000.
• B _max — максимальная плотность потока в гауссах.Если вы привыкли использовать Тесла или миллиТесла (Т или мТл) для определения плотности потока, просто помните, что 1T = 10 ⁴ Гаусс. B _max действительно зависит от конструкция и используемые сердечники трансформатора. В своих разработках я обычно беру B _max находиться в диапазоне от 1300G до 2000G. Это будет приемлемо для большинства трансформаторов. ядра. В этом примере давайте начнем с 1500G. Итак, B _max = 1500. Помните, что слишком высокое значение B _max приведет к отключению трансформатора. насыщать. Слишком низкое значение B _max приведет к недостаточному использованию ядра.
• A _c — Эффективная площадь поперечного сечения в см ² . Вы получите эту информацию из таблиц данных ферритовые сердечники. A _c также иногда называют A _e . Для ETD39 эффективная площадь поперечного сечения, указанная в техническое описание / спецификация (я имею в виду TDK E141. Вы можете скачать его отсюда: www.tdk.co.jp/tefe02/e141.pdf ), эффективный площадь поперечного сечения (в спецификации обозначается как A _e но, как я уже сказал, это то же самое, что A _c ) дается как 125 мм ² .Это равно 1,25 см ² . Итак, A _c = 1,25 для ETD39.

Итак, теперь мы получили значения всех необходимых параметров. для расчета Nпри — количество необходимых витков первичной обмотки.

Vin _(ном.) = 12 f = 50000 B _макс. = 1500 А _c = 1,25

Подставляя эти значения в формулу:

N _pri = 3.2

Мы не будем использовать дробные обмотки, поэтому округлим N _pri . до ближайшего целого числа, в данном случае с округлением до трех оборотов в меньшую сторону. Теперь, прежде чем мы завершаем это и выбираем N _pri = 3, нам лучше убедиться, что B _max все еще в допустимых пределах. Поскольку мы уменьшили количество поворотов от расчетная цифра (до 3,0 с 3,2), B _max увеличится. Мы теперь нужно выяснить, насколько увеличился B _max и если это все еще приемлемое значение.

Вин _(ном) = 12 ф = 50000 Н _при = 3 А _c = 1,25

B _макс = 1600

Новое значение B _max вполне приемлемо. границ, и поэтому мы можем продолжить с N _pri = 3.

Итак, теперь мы знаем, что для первичной обмотки наш трансформатор будет требуется 3 хода + 3 хода.

В любом дизайне, если вам нужно скорректировать значения, вы можете легко сделать это. Но всегда не забывайте проверять, подходит ли B _max .

• Например, при строительных трудностях намотка 3 хода + 3 хода становится трудным, вы можете использовать 2 хода + 2 хода или 4 хода + 4 хода. Увеличение количества поворотов не повредит — вы просто будете недоиспользовать ядро. Однако уменьшение количества витков увеличивает B _max , поэтому просто проверьте еще раз, чтобы убедиться, что B _max в порядке.Диапазон, который я указал для B _max (От 1300G до 2000G) — это всего лишь оценка. Это будет работать для большинства ядер. Тем не мение, при большом количестве сердечников вы можете увеличить число витков. Спускаясь ниже будет просто недоиспользовать ядро, но иногда может потребоваться, если число оборотов слишком мало.

• Я начал с набора B _max и ушел дальше, чтобы вычислить N _pri оттуда. Также можно присвоить значение N _pri а затем проверьте, в порядке ли B _max .В противном случае вы можете увеличить или уменьшите N _pri по мере необходимости, а затем проверьте, подходит ли B _max , и повторяйте этот процесс, пока не получите удовлетворительный результат. Например, вы могли установить Npri = 2, вычислить Bmax и решить, что оно слишком велико. Итак, вы установили Npri = 3, рассчитали Bmax и решили, что все в порядке. Или вы можете начали с Npri = 4, вычислили Bmax и решили, что оно слишком мало. Итак, вы установили Npri = 3, рассчитали Bmax и решили, что все в порядке.

Пришло время перейти ко второстепенному.Выход нашего DC-DC преобразователь 310В. Таким образом, выход трансформатора должен быть 310 В при всех входных напряжениях, от 13,5 В до 10,5 В. Естественно, будет реализована обратная связь, чтобы выходное напряжение оставалось фиксированным даже при и колебания нагрузки — изменения из-за изменения напряжения батареи, а также из-за изменение нагрузки. Таким образом, необходимо оставить некоторый запас, чтобы обратная связь работала. Так хорошо спроектируйте трансформатор с вторичной обмоткой на 330 В. Отзыв будет просто корректироваться напряжение, необходимое для изменения рабочего цикла сигналов управления ШИМ. Помимо обратной связи, запас по месту также компенсирует некоторые потери в преобразователь и тем самым компенсирует падения напряжения на разных стадиях — например, в полевых МОП-транзисторах, в самом трансформаторе, в выходных выпрямителях, выход индуктор и др.

Это означает, что выход должен обеспечивать подачу напряжения 330 В. с входным напряжением 10,5 В, а также входным напряжением 13,5 В. За Для ШИМ-контроллера мы возьмем максимальный рабочий цикл 98%. Разрыв позволяет мертвое время.

При минимальном входном напряжении (когда Vin = Vinmin) рабочий цикл будет быть максимальным. Таким образом, рабочий цикл будет 98%, когда Vin = 10,5 = Vinmin. Максимум рабочий цикл = 98%, напряжение на трансформаторе = 0,98 * 10,5 В = 10,29 В.

Итак, соотношение напряжений (вторичное: первичное) = 330 В: 10,29 В = 32,1

Поскольку коэффициент напряжения (вторичный: первичный) = 32,1, коэффициент передачи (вторичный: первичный) также должен быть 32,1, так как коэффициент поворотов (вторичный: первичный) = коэффициент напряжения (вторичный: первичный). Передаточное число оборотов обозначено буквой N.Итак, в нашем случае, N = 32,1 (я взял N как отношение вторичного к первичному).

N _при = 3

N _сек = N * N _pri = 32,1 * 3 = 96,3

Округлите до ближайшего целого числа. N _сек = 96.

Таким образом, для вторичной обмотки требуется 96 витков. При правильном реализация обратной связи, будет получен постоянный выход 310VDC во всем диапазоне входного напряжения от 10,5 до 13,5 В.

Здесь следует отметить одну вещь: хотя я взял 98% в качестве максимальный рабочий цикл, максимальный рабочий цикл на практике будет меньше, так как наш Трансформатор рассчитан на выходное напряжение 330 В.В схеме выход будет составлять 310 В, поэтому рабочий цикл будет еще ниже. Однако преимущество здесь что вы можете быть уверены, что выход не упадет ниже 330 В даже при тяжелые нагрузки, поскольку имеется достаточно большой запас для обратной связи и поддерживать выходное напряжение даже при высоких нагрузках.

Если требуются какие-либо вспомогательные обмотки, необходимые витки могут быть легко рассчитывается. Позвольте мне показать на примере. Допустим, нам нужен вспомогательная обмотка для обеспечения 19В. Знаю, что выход 310В будет регулироваться, каким бы ни было входное напряжение в первоначально указанном диапазоне (Vinmin на Винмакс — 10.От 5 В до 13,5 В). Таким образом, отношение витков вспомогательной обмотки может рассчитываться относительно вторичной обмотки. Назовем это поворотами передаточное отношение (вторичное: вспомогательное) N _A .

N _A = N _сек / N _доп. = V _сек / (V _доп. + V _d ). V _d — выходной диод вперед уронить. Предположим, что в нашем приложении выпрямитель Шоттки с V _d = 0,5 В.

Итак, N _A = 310V / 19.5 В = 15,9

N _сек / N _доп. = N _A

N _доп. = N _сек / N _A = 96 / 15,9 = 5,96

Округлим N _aux до 6 и посмотрим, что на выходе напряжение есть.

V _сек / (V _доп + V _d ) = N _A = N _сек / N _aux = 96/6 = 16,0

(V _доп. + V _d ) = V _сек / N _A = 310 В / 16.0 = 19,375 В

V _aux = 19,375 В — 0,5 В = 18,875 В (округлено)

Я бы сказал, что это отлично подходит для вспомогательного питания. Если в ваших расчетах вы придете к напряжению, которое слишком далеко от требуемого целевого напряжения и, следовательно, больше точность требуется, брать V _aux как то повыше и используйте регулятор напряжения.

Например, если в нашем предыдущем примере вместо 18,875 В мы получили 19,8 В, но нуждались в большей точности, мы могли бы использовать 24 В или около того и использовать регулятор напряжения для получения выходного напряжения 19 В.

Так что у нас это. У нашего трансформатора 3 витка + 3 витка для первичной обмотки 96 витков для вторичной и 6 витков для вспомогательной.

Вот наш трансформатор:

Расчет необходимого количества витков трансформатора осуществляется на самом деле это простая задача, и я надеюсь, что смогу помочь вам понять, как это сделать это. Я надеюсь, что это руководство поможет вам в разработке конструкции ферритового трансформатора. Делать дайте мне знать ваши комментарии и отзывы.

Расчет коэффициента трансформации трансформатора

Передаточное число оборотов выражается двумя числами, например 2: 1 или 2: 1.Первое число представляет относительное количество витков первичной обмотки, а второе число — относительное число витков вторичной обмотки. Коэффициент трансформации трансформатора рассчитывается по следующей формуле:

$$ \ frac {{{N} _ {p}}} {{{N} _ {s}}} $$

где

NP = количество витков в первичной обмотке

NS = количество витков вторичной обмотки

Пример: Каково соотношение витков трансформатора с 500 витками в первичной обмотке и 1000 витками во вторичной обмотке?

$$ \ frac {{{N} _ {p}}} {{{N} _ {s}}} = \ frac {500} {1000} = 1: 2 $$

Повышающий трансформатор — это трансформатор, в котором источник подключен к обмотке с меньшим числом витков, а нагрузка подключена к обмотке с большим числом витков. Понижающий трансформатор — это трансформатор, в котором источник подключен к обмотке с наибольшим количеством витков, а нагрузка подключена к обмотке с наименьшим числом витков (см. Рисунок 1).

Рис. 1. Коэффициент трансформации определяет, является ли трансформатор повышающим или понижающим.

Примечание

Большинство цепей управления двигателями питаются от понижающих трансформаторов, которые снижают напряжение в цепи управления.Понижающий трансформатор снижает напряжение в цепи управления до уровня 24 В или 12 В, в зависимости от необходимости.

Для повышающих и понижающих трансформаторов номинальная мощность на первичной и вторичной сторонах всегда одинакова. Соотношение витков можно использовать для расчета вторичного напряжения и тока следующим образом:

$$ \ frac {{{N} _ {p}}} {{{N} _ {s}}} = \ frac {{{E} _ {p}}} {{{E} _ {s} }} = \ frac {{{I} _ {s}}} {{{I} _ {p}}} $$

Где

NP = количество витков первичной обмотки

NS = количество витков вторичной обмотки

EP = напряжение первичной обмотки (в В)

ES = напряжение во вторичной обмотке (в В)

IP = ток в первичной обмотке (в A)

IS = ток во вторичной обмотке (в A)

Отношение витков между двумя катушками определяет, является ли устройство повышающим или понижающим трансформатором. Например, если катушка, подключенная к источнику, имеет 500 витков, а катушка, подключенная к нагрузке, имеет 1000 витков, устройство является повышающим трансформатором. Соотношение витков составляет 1: 2, и поток от каждого витка первичной обмотки сокращает два витка вторичной обмотки. Если источник, подключенный к первичной, составляет 120 В, вторичное напряжение рассчитывается следующим образом:

$$ \ frac {{{N} _ {p}}} {{{N} _ {s}}} = \ frac {{{E} _ {p}}} {{{E} _ {s} }} \ Rightarrow \ frac {500} {1000} = \ frac {120} {{{E} _ {s}}} \ Rightarrow 500 \ times {{E} _ {s}} = 120 \ times 1000 \ Rightarrow {{E} _ {s}} = 240 В $$

Если напряжение источника 240 В необходимо понизить до 120 В, катушки можно поменять местами.Катушки на 240 В являются первичными, а катушки на 120 В — вторичными. Однако нельзя превышать номинальное напряжение катушки. Трансформатор с соотношением 2: 1 с первичной обмоткой 240 В и вторичной обмоткой 120 В не должен подключаться к линии 480 В для создания вторичной обмотки 240 В. Соотношение витков правильное, но индуктивность катушек слишком мала для обеспечения требуемых ограничений тока в катушке из-за более низкого реактивного сопротивления.

Вольт на оборот

Соотношение витков можно использовать для объяснения связанной концепции, называемой вольтами на виток.Вольт на виток (В / виток) — это напряжение, падающее на каждом витке катушки или напряжение, индуцированное на каждом витке вторичной катушки. Каждый трансформатор имеет расчетное значение вольт на виток. Например, если первичная обмотка трансформатора имеет 120 витков с источником 120 В, она имеет 1 В / виток. Вторичная обмотка имеет такое же значение напряжения на виток. Если вторичная обмотка имеет 24 витка, напряжение на вторичной обмотке составляет 24 В. Следовательно, трансформатор с соотношением витков 120: 24, вольт на виток 1 и первичным напряжением 120 В имеет вторичное напряжение 24 В.

Метчики для катушек

Отвод катушки на катушке трансформатора — это дополнительное электрическое соединение, которое позволяет переменному количеству витков катушки быть частью цепи (см. Рисунок 2).Иногда необходимы отводы для змеевиков в зависимости от местоположения обслуживания по отношению к подстанции, обеспечивающей электроэнергию. В конце распределительной линии, на большом расстоянии от источника, напряжение иногда бывает ниже нормы. Для подачи надлежащего напряжения на оборудование на заводе предлагаются отводы на первичной обмотке трансформатора. Эти отводы позволяют изменять коэффициент трансформации трансформатора в полевых условиях, чтобы компенсировать низкое первичное напряжение.

Рисунок 2.Отводы катушки используются для регулировки выходного напряжения трансформатора.

Например, если первичная обмотка рассчитана на 7200 В переменного тока и имеет 1620 витков, каково значение напряжения на виток трансформатора? Трансформатор падает на 7200 В переменного тока через 1620 витков. Вольт на оборот рассчитывается следующим образом:

$$ {V} / {turn = \ frac {E} {{{N} _ {p}}}} \; $$

где

В / виток = вольт на виток

E = напряжение (в В)

витков = количество витков первичной обмотки

$$ {V} / {turn = \ frac {E} {{{N} _ {p}}}} \; = \ frac {7200} {1620} = 4. 444 $$

Каково значение напряжения на виток трансформатора, если напряжение на 5% ниже (6840 В переменного тока)?

$$ {V} / {turn = \ frac {E} {{{N} _ {p}}}} \; = \ frac {6840} {1620} = 4,222 $$

Это показывает, что когда первичное напряжение уменьшается на 5%, вторичное напряжение уменьшается на такой же процент. Изменяя ответвления и удаляя несколько витков из первичной цепи, можно поднять напряжение на виток до уровня, который дает нам правильное вторичное напряжение. Количество витков первичной обмотки, необходимое для сброса 4.444 В / оборот при 6840 В переменного тока рассчитывается следующим образом:

$$ {{N} _ {p}} = \ frac {E} {{V} / {turn} \;} $$

где

NP = количество витков первичной обмотки

E = напряжение (в В)

В / виток = вольт на виток

$$ {{N} _ {p}} = \ frac {6840} {4.444} = 1539 \ text {} превращается в $$

Этот тип трансформатора обычно оснащается ответвлениями катушки, кратными 2,5% выше нормы (AN) и 2,5% ниже нормы (BN). Для первичной обмотки с 1620 витками 2,5% соответствует примерно 40 виткам (1620 × 0.025 = 40,5). Перемещение соединения на два положения отводов изменяет количество витков в первичной обмотке примерно на 80 витков. Первичная обмотка изменена с 1620 витков на 1540 витков. Соотношение витков изменяется таким образом, чтобы трансформатор мог компенсировать низкое напряжение и обеспечивать номинальное напряжение вторичной обмотки.

Проектирование повышающего и понижающего трансформаторов

с расчетом

(Последнее обновление: 19 августа 2020 г.)

Повышающий и понижающий трансформатор, обзор:

Проектирование повышающих и понижающих трансформаторов с расчетом — Повышающие и понижающие трансформаторы можно найти повсюду во всем мире.Даже если вы откроете зарядное устройство для сотового телефона, вы найдете небольшой понижающий трансформатор, который преобразует 110/220 В переменного тока примерно в 5 вольт. Вы можете легко найти понижающие трансформаторы в радиоприемниках, телевизорах, видеомагнитофонах, проигрывателях компакт-дисков, бритвах, антенных приемниках, зарядных устройствах для ноутбуков, принтерах, стабилизаторах и т. Д.

Из-за сильного отключения нагрузки в таких странах, как Пакистан и Индия, кто-то может легко найти инверторы. Эти инверторы имеют повышающий и понижающий трансформаторы, как вы можете видеть на рисунке ниже.

Когда нет электричества, аккумулятор на 12 В повышается с помощью этого повышающего трансформатора. В то время как этот небольшой понижающий трансформатор используется для питания электроники. Размер повышающего и понижающего трансформатора зависит от нагрузки. Поскольку повышающие и понижающие трансформаторы являются одними из наиболее часто используемых электронных устройств, поэтому я решил написать подробную статью о повышающих и понижающих трансформаторах и поделиться с вами некоторыми базовыми знаниями о том, как эти трансформаторы могут быть разработан.В этой статье основное внимание уделяется проектированию и расчету повышающих и понижающих трансформаторов. Если вы хотите узнать больше о силовых трансформаторах, подумайте о прочтении моей статьи о СИЛОВОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ и его типах с объяснением принципа работы.

Без промедления, приступим !!!

Повышающий трансформатор:

In Step up Число витков первичной обмотки трансформатора меньше, чем витков вторичной обмотки, он преобразует низкое первичное напряжение в высокое вторичное напряжение i.е. он увеличивает входное напряжение.

Пример повышающего трансформатора

Например, рассмотрим трансформатор, в котором количество витков в первичной обмотке 250 и во вторичной обмотке равно 1000. Если переменное напряжение на первичной обмотке трансформатора составляет 110 В, то напряжение на вторичной обмотке трансформатора может рассчитывается по следующему уравнению.

V _p / V _s = N _p / N _s

N _P (первичные витки) = 250

N _S (вторичные витки) = 1000

В _P (первичное напряжение) = 110 В

В _S (вторичное напряжение) =?

Используя приведенное выше уравнение:

V _p / V _s = N _p / N _s

Переставляя уравнение, получаем:

Из приведенного выше примера видно, что входное напряжение увеличивается с 110 В до 440 В

Преимущества повышающих трансформаторов

Повышающие трансформаторы имеют следующие преимущества:

1. Трансмиссия

Повышающие трансформаторы повышают напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния. Электричество проходит тысячи километров, прежде чем достигнет наших домов. Таким образом, происходит потеря мощности по линиям, поэтому для этой цели напряжение повышается, чтобы напряжение легко передавалось без каких-либо потерь.

2. Нет времени пуска

Пуск повышающего трансформатора без задержек.

3. Безостановочная работа

Повышающий трансформатор работает без перебоев в системе распределения электроэнергии, работает постоянно.

Понижающий трансформатор:

В понижающем трансформаторе количество витков первичной обмотки больше, чем витков вторичной обмотки, он преобразует уровень напряжения с более высокого уровня на более низкий уровень. Понижающие трансформаторы используются в распределительных сетях, они понижают высокое сетевое напряжение и низкое напряжение, которое можно использовать для бытовой техники.

Количество витков первичной и вторичной обмоток определяет, на сколько нужно уменьшить напряжение.

Если указанное соотношение витков составляет 2: 1, что означает, что количество витков в первичной обмотке в два раза больше, чем во вторичной обмотке, то выходное напряжение будет вдвое меньше входного напряжения, а ток удвоится.

Общая мощность трансформатора останется прежней, только уровень напряжения будет уменьшен. Он не производит напряжения, а снижает уровень напряжения за счет увеличения тока. Например, если коэффициент трансформации трансформатора составляет 1: 2, он вдвое снижает выходное напряжение за счет удвоения тока.

Мощность в первичной катушке = Мощность во вторичной катушке

V _P x I _P = V _S x I _S

V _p / V _s = I _s / I _p

Пример понижающего трансформатора

Например, рассмотрим трансформатор, у которого количество витков в первичной обмотке 2500, а во вторичной — 1500. Если переменное напряжение на первичной обмотке трансформатора составляет 220 В, то напряжение на вторичной обмотке трансформатора можно рассчитать с помощью следующего уравнения.

V _p / V _s = N _p / N _s

N _P (первичные витки) = 2500

N _S (вторичные витки) = 1500

В _P (Первичное напряжение) = 220 В

В _S (вторичное напряжение) =?

Используя приведенное выше уравнение:

V _p / V _s = N _p / N _s

Переставляя уравнение, получаем:

Из приведенного выше примера видно, что входное напряжение понижается с 220 В до 132 В

Понижающий трансформатор использует:

• Все трансформаторы, которые мы видим возле наших домов, улиц, деревень или городов, являются понижающими трансформаторами.Они понижают напряжение с 11кВ до 220В, чтобы развести его в наши дома.
Адаптеры
• используют понижающий трансформатор до широкого использования импульсных источников питания.

Термины, относящиеся к конструкции трансформатора:

Плотность потока:

Плотность магнитного потока определяется как магнитный поток, проходящий через определенную область, перпендикулярную полю. B также известен как индукция магнитного поля

Плотность тока:

Он определяется как величина электрического тока (поток заряда в амперах), протекающего через единицу площади поперечного сечения.Плотность тока — это векторная величина, потому что она задается величиной и направлением. Обозначается буквой J. Измеряется в амперах / м ^2.

Математическая форма:

Плотность тока (Дж) = Ток (I) / Площадь (A)

Например,

Если по проводнику с заданной площадью 10 м проходит ток 60 ампер ² , какова плотность тока?

Ответ:

Ток, I = 60 ампер, площадь A = 10 м ² .

Дж = I / A

Дж = 60/10

Дж = 6 Ампер / м ²

Проектирование трансформатора:

Для проектирования трансформатора необходимы следующие расчеты:

• Площадь поперечного сечения (утюг)
• Количество витков первичной обмотки
• Количество витков вторичной обмотки
• Диаметр первичного проводника
• Диаметр вторичного проводника

Допущения

При проектировании трансформатора примем следующие значения:

КПД 80%

Плотность потока = 1.2 ^{Вт / м2}

Плотность тока = 2,5 ^{Вт / м2}

Плотность напряжения = 0,5%

Коэффициент стека = 0,9

Конструкция / расчет понижающего трансформатора с 220 В на 110:

Рейтинг

110 ВА 220/110 В

Номинальное вторичное напряжение = 110 ВА

Напряжение вторичной обмотки = 110 В

Ток вторичной обмотки = номинальное напряжение / вторичное напряжение

Ток вторичной обмотки = 110 ВА / 110 В

= 1А

Плотность тока = Ток (I) / Площадь

Площадь вторичного проводника = ток (I) / плотность тока (j)

= 1/2. 2 = (4 × A) / π
Извлечение квадратного корня с обеих сторон
d = √ ((4 × A) / π)

Подставляя значения, получаем
d = √ ((4 × 0,4) / π)

d = 0,71 мм
Из этого значения мы выберем стандартный калибр провода
Теперь мы рассчитаем напряжение первичной обмотки
Первичная обмотка (ВА) = (Вторичная (ВА)) / КПД
Первичная (ВА) = 110 ВА / 0,8
Первичная ( ВА) = 137,5 ВА
Возьмем примерно 140 ВА
Чистая площадь поперечного сечения = √ (Первичная (ВА))

Чистая площадь поперечного сечения = √137.2 = (4 × A) / π
Извлечение квадратного корня с обеих сторон
d = √ ((4 × A) / π)

Подставляя значения, получаем
d = √ ((4 × 0,26) / π)

d = 0,56 мм

Количество витков первичной обмотки:

Мы будем использовать формулу ЭДС на оборот
ЭДС на оборот = 4,44 × N × B_max × f × A
N = (ЭДС на оборот) / (4,44 × B_max × f × A)
N = 220 / (4,44 × 1,2 × 50 × 13,33)
N = 620 оборотов

Количество витков вторичной обмотки:

Мы будем использовать формулу ЭДС на оборот
ЭДС на оборот = 4,44 × N × B_max × f × A
N = (ЭДС на оборот) / (4. 44 × B_max × f × A)
N = 110 / (4,44 × 1,2 × 50 × 13,33)
N = 310 витков
Из-за напряжения регулирования напряжения его вторичная сторона может колебаться, увеличиваясь и уменьшаясь, поэтому мы также будем колебать витки, поэтому мы будем использовать значение плотности напряжения, равное 0,5.
Фактическое количество оборотов = 5/100 × 310 = 15,5 = 16
Общее количество оборотов на вторичной обмотке = 310 + 16 = 326 оборотов

Конструкция / расчет понижающего трансформатора с 220В на 12В:

Допущения
При проектировании трансформатора мы примем следующие значения:
КПД 80%
Плотность магнитного потока = B_m = от 1 до 1.2 = (4 × A) / π
Извлечение квадратного корня с обеих сторон
d = √ ((4 × A) / π)

Подставляя значения, получаем
d = √ ((4 × 2) / π)

d = 1,596 мм

Из приведенной выше таблицы мы выберем SWG провода, так как диаметр равен 1,596 мм, для которого SWG равен 16.
Первичный (ВА) = (Вторичный (ВА)) / КПД
Первичный (ВА) = 880 / 0,9
Первичный (ВА) ) = 977,7 ВА
Первичный ток = (Первичный (ВА)) / (Первичный ток)
Первичный ток = 978/12
Первичный ток = 81,5 A
Площадь проводника = (Ток (I)) / (Плотность тока (Дж) )
Площадь проводника = 81. 8 / (4,44 × 6500 × 50)
N = 6,93
Мы возьмем число оборотов на вольт, приблизительно равное N = 7
Общая расчетная площадь обмотки = 11 квадратных дюймов
CA = (WA (площадь намотки)) / (FG (окно площадь))
CA = 11 / (3 × 1)
CA = 3,7 квадратных дюйма
Стопка = (Площадь поперечного сечения сердечника (CA)) / (E (ширина сердечника фаски Limb) × Sf)
Sf = коэффициент укладки
Стопка = (3,7) / (2 × 0,9)
Стопка = 2 дюйма
Размер шпульки = 2 дюйма × 2 дюйма сердечника 7
Оборотов на вольт = 7 / (3,7) = 1,89 TPV
Количество витков первичной обмотки = витков на вольт × volt
Количество витков первичной обмотки = 1.89 × 12 = 23 витка
Количество витков первичной обмотки = 1,89 × 220 × 1,03 = 429 витков
Где 1,03 — напряжение падения мощности

Примеры, относящиеся к трансформатору:

Пример 1:

Трансформатор имеет 40 обмоток в первичной обмотке и 30 — во вторичной обмотке. Если первичное напряжение 220 В, найдите вторичное напряжение. 2.2
b) Коэффициент трансформации
N_1 = 400
N_2 = 1000
Коэффициент трансформации = N_2 / N_1
Коэффициент трансформации = 1000/400
Коэффициент трансформации = 2,5
c) Напряжение, индуцированное во вторичной обмотке
V_p / V_s = N_p / N_s
By переставив уравнение:
V_s = 〖V_p × N〗 _s / N_p
V_s = 520 × 2,5
V_s = 1300V
d) ЭДС, индуцированная на оборот
V_p / N_p = 520/400 = 1,3 вольт на виток
V_s / N_s = 1300/1000 = 1,3 вольта на виток
Итак, пока что все. Надеюсь, вы узнали что-то новое из этой статьи.Теперь вы можете легко спроектировать свой собственный источник питания на базе понижающего трансформатора на 12 В и 2 А для проекта на базе Arduino. Не забудьте подписаться на мой сайт и канал YouTube «Электронная клиника».

Нравится:

Нравится Загрузка …

Как рассчитать / найти номинал трансформатора в кВА

Расчет и определение номинальных характеристик однофазных и трехфазных трансформаторов в кВА

Мы знаем, что трансформатор всегда рассчитан на кВА. Ниже приведены две простые формулы для определения номинала однофазного и трехфазного трансформаторов .

Найдите рейтинг однофазного трансформатора

Рейтинг однофазного трансформатора:

P = V x I.

Мощность однофазного трансформатора, кВА

кВА = (В x I) / 1000

Рейтинг трехфазного трансформатора

Рейтинг трехфазного трансформатора:

P = √3.V x I

Мощность трехфазного трансформатора в кВА

кВА = (√3. В x I) / 1000

Но подождите, здесь возникает вопрос … Посмотрите на общие паспортные данные трансформатора 100 кВА.

Вы что-то заметили ???? В любом случае, мне все равно, что вы ответите;) но позвольте мне попытаться объяснить.

Вот рейтинг трансформатора — 100 кВА .

Но первичное напряжение или высокое напряжение (ВН) составляет 11000 В = 11 кВ.

И первичный ток на стороне высокого напряжения равен 5. 25 ампер.

Также вторичное напряжение или низкое напряжение (НН) составляет 415 Вольт

И вторичный ток (ток на стороне низкого напряжения) составляет 139,1 ампер.

Простыми словами,

Мощность трансформатора в кВА = 100 кВА

Первичное напряжение = 11000 = 11кВ

Первичный ток = 5,25 А

Напряжение вторичной обмотки = 415 В

Вторичный ток = 139,1 Ампер.

Теперь рассчитайте номинал трансформатора согласно

.

P = V x I (первичное напряжение x первичный ток)

P = 11000 В x 5.25A = 57,750 ВА = 57,75 кВА

Или P = V x I (вторичные напряжения x вторичный ток)

P = 415 В x 139,1 A = 57 726 ВА = 57,72 кВА

Еще раз мы заметили, что номинал трансформатора (на паспортной табличке) составляет 100 кВА , но согласно расчетам… это около 57 кВА …

Разница происходит из-за незнания того, что мы использовали однофазную формулу вместо трехфазной.

Теперь попробуйте по этой формуле

P = √3 x V x I

P = √3 Vx I (первичное напряжение x первичный ток)

P = √3 x 11000 В x 5.25 A = 1,732 x 11000 В x 5,25 A = 100 025 ВА = 100 кВА

Или P = √3 x V x I (вторичные напряжения x вторичный ток)

P = √3 x 415 В x 139,1 A = 1,732 x 415 В x 139,1 A = 99 985 ВА = 99,98 кВА

Рассмотрим (следующий) следующий пример.

Напряжение (от линии к линии) = 208 В .

Ток (Линейный ток) = 139 А

Сейчас номинал трехфазного трансформатора

P = √3 x V x I

P = √3 x 208 x 139A = 1.732 х 208 х 139

P = 50077 ВА = 50 кВА

Примечание: этот пост был сделан по просьбе нашего фаната страницы Анила Виджая.

Как рассчитать ферритовый трансформатор для SMPS

В этом посте мы подробно обсудим, как спроектировать и рассчитать собственный ферритовый трансформатор, соответствующим образом рассчитав различные необходимые параметры, такие как количество витков первичной обмотки, Bmax ферритового сердечника, количество витков вторичной обмотки, размеры сердечника. , вспомогательная обмотка и другие связанные переменные.

Для модели трансформатора различие между двухтактным и полным мостовым трансформатором, предназначенным для аналогичного напряжения и мощности, вероятно, будет заключаться в том, что двухтактный трансформатор потребует центрального отвода, что означает, что потребуется в два раза больше первичные витки как полномостовой трансформатор.

Расчет необходимых оборотов на самом деле довольно прост, я поясню это здесь.

Для описания поработаю с иллюстрацией и займусь процессом расчета.

Например, представим, что ферритовый трансформатор предназначен для инвертора мощностью 250 Вт. Выбранная топология двухтактная. Источник питания — аккумулятор на 12 В. Выходное напряжение ступени преобразователя DC-DC будет 310В.

Частота переключения 50 кГц. Выбранное ядро ​​- ETD39. Имейте в виду, что на выходе трансформатора, вероятно, будет высокочастотный переменный ток (в данном случае прямоугольная волна 50 кГц). Поскольку я обращаюсь к выходу высокого напряжения постоянного тока (например, 310 В постоянного тока, упомянутого ранее), это фактически выход постоянного тока, достигаемый после выпрямления (с использованием сверхбыстрых восстанавливающих диодов, установленных как мостовой выпрямитель) и фильтрации (с использованием LC-фильтра).

В процессе эксплуатации напряжение АКБ не будет фиксироваться на уровне 12В. При более высоких нагрузках напряжение будет ниже 12 В. При пониженных нагрузках и полностью заряженной батарее напряжение может быть выше 13 В. Следовательно, следует учитывать, что входное напряжение на самом деле не является постоянным, а скорее меняется. В инверторах низкий уровень заряда батареи обычно устанавливается на уровне 10,5 В. Таким образом, мы будем работать с этим как с наиболее разумным входным напряжением.

Vin (мин) = 10.5V

Расчет витков первичной обмотки

Формула для определения количества необходимых витков первичной обмотки:

Для двухтактного трансформатора это может быть половина требуемого диапазона витков.

N (pri) указывает количество витков первичной обмотки; N (сек) означает количество вторичных витков; N (aux) предполагает количество дополнительных витков и так далее. Однако просто N (без индекса) описывает коэффициент поворота или намотки.

Для расчета желаемого количества витков первичной обмотки по формуле необходимо учитывать следующие переменные или особенности:

Vin (ном) — умеренное входное напряжение.Мы будем считать это 12 В. Следовательно, Vin (ном) = 12.

f = рабочая частота переключения в Герцах. Учитывая, что наша частота переключения составляет 50 кГц, f = 50000.

B (max) = максимальная плотность потока в гауссах. Если вы привыкли применять Тесла или миллиТесла (Тл или мТл) для определения плотности потока, помните, что 1Тл = 104 Гс.

B (max) фактически определяется конструкцией и используемыми сердечниками трансформатора. В наших разработках мы обычно считаем, что Bmax находится в диапазоне от 1300G до 2000G.

Подходит для большинства сердечников трансформаторов. В этой конкретной иллюстрации мы можем сосредоточиться на 1500G. Следовательно, Bmax = 1500. Имейте в виду, что слишком большое B (max) может вызвать насыщение трансформатора. Слишком низкое значение B (макс.), Вероятно, не будет оптимальным для использования сердечника.

Ac = Эффективная площадь поперечного сечения в см2. Вы найдете эти детали в технических описаниях ферритовых сердечников. Ac также иногда называют Ae.

Для ETD39 полезная площадь поперечного сечения, указанная в таблице данных / технических характеристиках, о которых мы говорим, составляет TDK E141.2. Итак, Ac = 1,25 для ETD39.

Теперь у нас есть доступ к значениям всех необходимых переменных для расчета N (pri) — количества необходимых витков первичной обмотки.

Vin (nom) = 12, f = 50000, Bmax = 1500, Ac = 1,25

Подставляя эти величины в формулу:

N (pri) = 3,2

Мы не будем применять фрагментарную обмотку, поэтому мы собираемся округлить N (pri) для ближайшего целого числа, в этом конкретном сценарии давайте округлим его до трех оборотов.

На этом этапе, прежде чем мы завершим это и выберем N (pri) = 3, нам лучше убедиться, что B (max) по-прежнему находится в допустимом диапазоне. Поскольку мы уменьшили количество поворотов от расчетного (до 3,0 с 3,2), B (max), безусловно, будет выше.

Расчет максимальной плотности потока ферритового сердечника

На этом этапе мы должны точно определить, на сколько B (max) увеличилось и остается ли это подходящим значением.

Vin (nom) = 12, f = 50000, N (pri) = 3, Ac = 1.25

B (max) = 1600

Новое значение B (max) фактически находится в допустимом диапазоне, и поэтому мы можем продолжить с N (pri) = 3.

Таким образом, теперь мы признаем что для первичной обмотки у нашего трансформатора должно быть 3 витка + 3 витка.

Практически в любом проекте, если вы хотите изменить значения, эту задачу легко выполнить. Однако имейте в виду, чтобы оценить, что B (max) выбрано надлежащим образом.

В качестве примера предположим, что из-за сложности конструкции наматывание 3 витков + 3 витков становится сложной задачей, вы можете использовать 2 витка + 2 витка или 4 витка + 4 витка.

Максимальное количество витков не повредит — вы просто будете недоиспользовать сердечник. Однако уменьшение количества оборотов может привести к увеличению B (макс.), Поэтому просто подтвердите, чтобы убедиться, что B (макс.) Выбрано надлежащим образом. Диапазон, который мы используем для B (max) (от 1300G до 2000G), является просто оценкой. В конечном итоге он подойдет для большинства ядер. Тем не менее, с несколькими сердечниками можно увеличить, чтобы уменьшить количество витков.

Низкое планирование может просто не использовать ядро ​​оптимально, но иногда может быть необходимо в случае, если количество витков слишком мало.

Мы можем начать использовать фиксированное значение B (max) и после этого перейти к оценке N (pri). Вы даже можете указать значение N (pri) и впоследствии выяснить, приемлемо ли B (max). В противном случае вы можете легко максимизировать или минимизировать N (pri) по мере необходимости, а затем посмотреть, подходит ли B (max) или нет, продолжайте повторять это до тех пор, пока не получите приемлемый конечный результат.

Например, вы могли зафиксировать N (pri) = 2, определить B (max) и определить, что оно слишком велико. Таким образом, вы поместили N (pri) = 3, определили B (max) и поняли, что все в порядке.Или, возможно, вы могли начать с N (pri) = 4, вычислить B (max) и принять решение, что оно слишком мало. Таким образом, вы установили N (pri) = 3, вычислили B (max) и решили, что это абсолютно хорошо.

Теперь пора перейти к вторичному серверу. Выход нашего преобразователя постоянного тока в постоянный составляет 310 В. Следовательно, на выходе трансформатора должно быть 310 В при любом входном напряжении, от 13,5 В до 10,5 В.

Добавление обратной связи

Очевидно, что обратная связь будет интегрирована для поддержания заданного выходного напряжения, несмотря на неравномерность линии и нагрузки — изменения в результате изменений напряжения батареи, а также из-за изменения нагрузки.Следовательно, необходимо оставить некоторый запас +/-, чтобы обратная связь была эффективной. Поэтому мы спроектируем трансформатор с вторичной обмоткой 330 В.

Обратная связь, безусловно, адаптирует необходимое напряжение путем преобразования рабочего цикла сигналов управления ШИМ. Помимо обратной связи, предусмотренный запас дополнительно компенсирует некоторые недостатки преобразователя и, таким образом, компенсирует это падение напряжения в различных фазах — например, в полевых МОП-транзисторах, только внутри трансформатора, в выходных выпрямителях, выходной катушке индуктивности и т. Д. .

Это означает, что выход должен обеспечивать 330 В с входным напряжением, соответствующим 10,5 В, а также входным напряжением, соответствующим 13,5 В. Для ШИМ-контроллера мы будем считать максимальный рабочий цикл 98%. Разница в мертвом времени.

При минимальном входном напряжении (когда Vin = Vinmin) рабочий цикл, вероятно, будет максимальным. Следовательно, рабочий цикл будет 98%, если Vin = 10,5 = Vinmin. При максимальном рабочем цикле = 98% напряжение на трансформаторе = 0. 98 * 10,5 В = 10,29 В.

Таким образом, коэффициент напряжения (вторичный: первичный) = 330 В: 10,29 В = 32,1

Учитывая, что коэффициент напряжения (вторичный: первичный) = 32,1, коэффициент передачи (вторичный: первичный) также должен быть 32,1 в качестве коэффициента передачи (вторичный: первичный) = коэффициент напряжения (вторичный: первичный). Коэффициент оборотов определяется как N. Следовательно, в нашей ситуации N = 32,1 (мы рассматривали N как отношение вторичного к первичному).

N (pri) = 3

N (sec) = N x N (pri) = 32,1 x 3 = 96.3

Округление до ближайшего целого числа. N (сек) = 96.

Следовательно, вашей вторичной обмотке потребуется 96 витков. Посредством надлежащего выполнения обратной связи можно получить стабильный выходной сигнал 310 В постоянного тока во всем диапазоне входного напряжения от 10,5 В до 13,5 В.

Здесь очень важно помнить, что, несмотря на то, что мы использовали 98% как самый высокий рабочий цикл, оптимальный рабочий цикл практически, вероятно, будет меньше, потому что наш трансформатор был рассчитан на подачу выходного напряжения 330 В. Внутри схемы выходное напряжение будет 310 В, поэтому рабочий цикл, вероятно, будет еще ниже.

При этом преимущество состоит в том, что вы можете гарантировать, что выходное напряжение никогда не упадет ниже 330 В, несмотря на большие нагрузки, учитывая, что для обратной связи предоставляется значительный запас для установления и поддержания постоянного выходного напряжения даже при высоких нагрузках.

Расчет вспомогательной обмотки

Если требуется какая-либо вспомогательная обмотка, необходимое количество витков можно быстро определить.Продемонстрирую на примере. Представим, что нам нужна вспомогательная обмотка с напряжением 19 В. Мы понимаем, что выход 310 В будет контролироваться, независимо от того, какое входное напряжение может быть в пределах указанного в начале диапазона (от Vin (min) до Vin (max) — от 10,5 В до 13,5 В).

Следовательно, соотношение витков вспомогательной обмотки может быть определено в соответствии с вторичной обмоткой. Назовем это отношение витков NA.

NA = N (сек) / N (доп.) = V (сек) / (V (доп.) + Vd). Vd — прямое падение потенциала выходного диода.Представим, что в нашем одобрении применяется выпрямитель Шоттки с напряжением Vd = 0,5 В.

Итак, NA = 310V / 19.5V = 15.9

N (sec) / N (aux) = NA

N (aux) = N (sec) / NA = 96 / 15.9 = 5.96

Приближаем N ( aux) до 6 и узнайте конкретное выходное напряжение.

В (сек) / (В (доп.) + Vd) = NA = N (сек) / N (доп.) = 96/6 = 16,0

(V (доп.) + Vd) = В (сек) / нет данных = 310 В / 16,0 = 19,375 В

В (доп.) = 19,375 В — 0,5 В = 18,875 В (ближайшее доступное значение)

Честно говоря, мы могли бы почувствовать, что это идеально подходит для вспомогательного источника.В случае, если в ходе ваших вычислений вы пришли к напряжению, которое слишком сильно отличается от основного целевого напряжения и, следовательно, требуется большая точность, считайте V (доп.) Чем-то большим и включите регулятор напряжения.

В качестве примера, когда на нашей предыдущей иллюстрации вместо 18,875 В мы получили 19,8 В, но хотели еще большей точности и надежности, мы могли бы применить 24 В или около того и применить стабилизатор напряжения для обеспечения выхода 19 В.

Значит, вот оно и есть.Наш трансформатор имеет 3 витка + 3 витка для первичной обмотки, ДЕВЯТЬ-ШЕСТЬ витков для вторичной обмотки и шесть витков для вспомогательной.

Вот наш доработанный трансформатор с идеально рассчитанным коэффициентом намотки и ферритовым сердечником:

Расчет необходимого количества витков для любого ферритового трансформатора — действительно простой процесс, и я хочу, чтобы это конкретное руководство позволило вам с комфортом спроектировать ферритовый трансформатор.

Как сделать трансформатор

Введение

Мы уже много изучили трансформаторы в Bright Hub, и мы знаем, что это просто устройство, используемое либо для повышения, либо для понижения подаваемого входного переменного тока за счет магнитной индукции между его две обмотки.

В основном трансформатор будет состоять из следующих основных компонентов:

• Штампованный железный сердечник (сконфигурированный как U / T или E / I, обычно последний используется более широко)
• Центральная пластиковая или керамическая бобина, окруженная вышеуказанным железом штамповка сердечника
• Две обмотки (электрически изолированные и магнитно связанные) с использованием суперэмалированного медного провода, нанесенного на бобину
• Обычно обмотка, которая предназначена для приема входного питания, называется «первичной», а обмотка в ответ на это вход создает необходимое индуцированное напряжение, так как выход называется «вторичной» обмоткой.

Разработка собственного трансформатора в соответствии с конкретным применением может быть интересной, но неосуществимой без расчета различных параметров, обычно связанных с ними. Следующее обсуждение проведет вас через несколько важных шагов и формул и объяснит, как сделать трансформатор.

Расчет площади сердечника (CA) трансформатора

Площадь сердечника рассчитывается по формуле, приведенной ниже:

CA = 1,152 × √ (выходное напряжение × выходной ток)

Расчет числа оборотов на вольт (TPV )

Это делается по следующей формуле:

TPV = 1 / (4.44 × 10-4 × CA × Плотность потока × Частота переменного тока)

, где частота будет зависеть от спецификаций конкретной страны (60 или 50 Гц), стандартное значение плотности магнитного потока для штамповок из обычной стали может быть принято равным 1 Weber / кв.м, для обычного стального материала значение составляет 1,3 Weber / кв.м

Расчет первичной обмотки

В основном при расчете первичной обмотки трансформатора необходимо определить три важных параметра:

• Ток через первичную обмотку
• Число витков первичной обмотки
• Площадь первичной обмотки

Давайте проследим каждое из приведенных выше выражений:

Ток первичной обмотки = (Вторичные вольт × вторичный ток) ÷ (Первичное напряжение × КПД), среднее значение КПД любого трансформатора можно предположить равным 0. 9 как стандартный рисунок.

Число витков = TPV × первичное напряжение

Площадь первичной обмотки = Число витков / витков на кв. см (из таблицы A )

Считывание таблицы A легко — просто найдите соответствующие цифры (SWG провода и число оборотов на кв. см), сопоставив их с наиболее близким значением выбранного вами первичного тока.

Расчет вторичной обмотки

Как объяснялось выше, с помощью таблицы A вы сможете найти SWG провода, который будет использоваться для вторичной обмотки и TPV, просто сопоставив их с выбранным вторичным током.

Число витков вторичной обмотки также рассчитывается, как объяснено для первичной обмотки, однако, учитывая условия высокой нагрузки этой обмотки, предпочтительно добавлять 4% дополнительных витков к общему числу витков. Таким образом, формула принимает следующий вид:

Число витков вторичной обмотки = 1,04 × (TPV × напряжение вторичной обмотки),

Также площадь вторичной обмотки = число витков вторичной обмотки / число витков на квадратный см. (из таблицы А ).

Расчет размера сердечника стальных пластин или штамповок

Размер сердечника используемых стальных штамповок можно легко найти из Таблицы B , соответствующим образом сопоставив соответствующую информацию с общей площадью обмотки трансформатора.Таким образом, сначала необходимо рассчитать общую площадь обмотки, она составляет:

Общая площадь обмотки = (площадь первичной обмотки + общая площадь вторичной обмотки) × пространство для внешней изоляции.

Третий параметр, то есть пространство для изоляции / каркаса и т. Д., Может составлять примерно от 25 до 35% суммы первых двух параметров.

Следовательно, приведенная выше формула принимает следующий вид:

Общая площадь обмотки = (Площадь первичной обмотки + Общая площадь вторичной обмотки) × 1,3

Обычно предпочтительнее и используется сердечник с квадратной центральной стойкой — другие факторы также соответствующим образом проиллюстрированы. на соседнем рисунке и рассчитано следующим образом:

Общая площадь керна = Площадь керна из Таблица B /0.9 (кв. См)

Ширина языка = √ Общая площадь сердцевины (см)

После расчета ширины языка ее можно использовать в качестве эталонного значения и соответствующим образом сопоставить в Таблице B для получения фактического ТИПА ОСНОВАНИЯ.

Ваши поиски того, как сделать трансформатор, завершаются, когда вы, наконец, заканчиваете вычисление высоты штабеля по формуле:

Высота штабеля = Общая площадь сердечника / ширина языка.

Таблица A

Приведенная ниже таблица поможет вам выбрать калибр и количество оборотов на кв.см медного провода, соответствующим образом сопоставив их с выбранным номинальным током обмотки.

SWG -—— (AMP) -—— Оборотов на кв. См .

10 ———– 16,6 ———- 8,7

11 ———– 13,638 ——- 10,4

12 ———– 10,961 ——- 12,8

13 ———– 8,579 ——— 16,1

14 ———– 6,487 ——— 21,5

15 ———– 5,254 ——— 26,8

16 ———– 4,151 ——— 35,2

17 ———– 3,178 ——— 45,4

18 ———– 2,335 ——— 60,8

19 ———– 1. 622 ——— 87,4

20 ———– 1,313 ——— 106

21 ———– 1,0377 ——– 137

22 ———– 0,7945 ——– 176

23 ———– 0,5838— —— 42

24 ———– 0,4906 ——— 286

25 ———– 0,4054 ——— 341

26 ———– 0,3284 ——— 415

27 ———– 0,2726 ——— 504

28 ———– 0,2219 ——— 609

29 ———– 0,1874 ——— 711

30 ———– 0,1558 ——— 881

31 ———– 0,1364 ——— 997

32 ———– 0,1182 ——— 1137

33 ———– 0,1013 ——— 1308

34 ———– 0.0858 ——— 1608

35 ———– 0,0715 ——— 1902

36 ———– 0,0586 ———- 2286

37 ———– 0,0469 ———- 2800

38 ———– 0,0365 ———- 3507

39 ———– 0,0274 ———- 4838

40 ———– 0,0233 ———- 5595

41 ———– 0,0197 ———- 6543

42—— —– 0,0162 ———- 7755

43 ———– 0,0131 ———- 9337

44 ———– 0,0104 ——— 11457

45 ———– 0,0079 ——— 14392

46—— —– 0,0059 ——— 20223

47 ———– 0,0041 ——— 27546

48 ———– 0.0026 ——— 39706

49 ———– 0,0015 ——— 62134

50 ———– 0,0010 ——— 81242

Таблица B

Эта таблица B позволяет вам разработать собственную конструкцию трансформатора, сравнивая расчетные Зона намотки с соответствующей требуемой шириной языка и номером типа ламинирования.

Тип ——————- Язык ———- Обмотка

№——————— Ширина ————- Площадь

17 (E / I) ———— ——– 1,270 ———— 1,213

12A (E / 12I) ————— 1,588 ———– 1,897

74 (E / I) ——————– 1.748 ———– 2.284

23 (E / I) ——————– 1.905 ———– 2.723

30 (E / I) ——————– 2.000 ———– 3.000

21 (E / I) ——————– 1,588 ———– 3,329

31 (E / I) ——————– 2,223 ———– 3,703

10 (E / I) —— ————– 1,588 ———– 4,439

15 (E / I) ——————- 2,540 ———– 4,839

33 (E / I) ——————– 2,800—— —5,880

1 (E / I) ———————- 2,461 ———- 6,555

14 (E / I) ——————– 2,540 ———- 6,555

11 ( E / I) ——————— 1.905 ——— 7.259

34 (U / T) ——————– 1/588 ——— 7.259

3 (E / I) ———— ———– 3.175 ——— 7,562

9 (U / T) ———————- 2,223 ———- 7,865

9A (U / T) ———————- 2,223 ———- 7,865

11A (E / I) ———————– 1.905 ———– 9.072

4A (E / I) ———————– 3.335 ———– 10.284

2 (E / I) ) ———————– 1.