«Как-то лет в 12 нашёл я старый трансформатор, слегка перемотал его и включил.
Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом.
Вот так я и начал изучать силовую электронику».
А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами.
При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один – массогабаритные показатели. Всё остальное – сплошной минус.
Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований.
Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR2153 и IR2155, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.
И если сердце импульсного блока питания колотится внутри готовой буржуйской микросхемы, то главным, ответственным за электрохозяйство среди остальных наружных образований, безусловно, является правильно выполненный трансформатор.
Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД.
Но самое главное – при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов.
По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами. Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику.
И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое.
Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.
Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR2153 с идентичными заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов.
А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание "что-то подправить в консерватории". Объясняется это желание просто – существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора.
А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR2153, не обременённую ни устройством защиты, ни какими-либо другими излишествами.
Рис.1
Схема проверена временем и многочисленными опытами изрядно пощипанных током, неустрашимых радиолюбителей, так что не работать в ней – просто нечему.
Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора.
Мотать его будем на бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя 2000НМ или импортных – EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода.
Концепция выбора габаритной мощности с запасом в 10% от максимальной мощности в нагрузке, заложенная в режимы автоматического подбора сердечника в большинстве калькуляторов, хотя и не противоречит теоретическим расчётам, учитывающим высокий КПД импульсного трансформатора, но всё же наводит на грустную мысль о ненадлежащей надёжности и возможной скорой кончине полученного моточного изделия.
Куда мне ближе трактовка этого параметра, описанная в литературе: Pгаб>1,25×Рн .
Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR2153, равной 50 кГц. Почему именно такой?
Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры.
А не выше, потому что мы пилоты. А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше 60-70 кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в 3-9 раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину.
Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки.
Результаты сведём в таблицу.
| Мощность блока питания, Вт |
Размеры кольца, мм ; (габаритная мощность, Вт) |
Количество витков первичной обмотки |
Индуктивность обмотки, мГн |
| 25 | R 20×12×6 2000НМ (33,8 Вт) R 22,1×13,7×6,35 №87 (51,5 Вт) |
R 22,1×13,7×7,9 №87 (63,9 Вт)
R 27×18×6 2000НМ (85,3 Вт)
R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт)
R 29,5×19,0×14,9 №87 (297 Вт)
R 30,5×20,0×12,5 №87 (265 Вт)
R 34,0×20,5×10,0 №87 (294 Вт)
R 34,0×20,5×12,5 №87 (371 Вт)
R 38×24×7 2000НМ (278 Вт)
R 38×24×14 2000НМ (565 Вт)
R 40×25×11 2000НМ (500 Вт)
R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)
R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт)
R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)
Как следует мотать первичную обмотку трансформатора?
Рис. 2 а) 
б) в) г) д)
Если используются кольца 2000НМ отечественного производителя, то для начала – посредством наждачной бумаги скругляем наружные острые грани до состояния, приведённого на Рис.2 а).
Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку (Рис.2 б). В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту.
Для буржуйских колец фирмы EPCOS первые два пункта практической ценности не имеют.
Настало время намотать однослойную обмотку «виток к витку» (Рис.2 в). Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода – это важно!
Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра (Рис.2 г). Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре (или два провода по 0,7мм).
Ну и для завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку – пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты (Рис.2 д).
А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения.
Казалось бы, расчёты количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора настолько банальны и очевидны, что, как говаривал товарищ Мамин-Сибиряк – «яйца выеденного не стоят».
Да только вот опять – не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Поэтому для начала приведём формулу зависимости выходного напряжения от соотношения количества витков обмоток:
W1 (Uвх – Uдм1)/2 – Uнас ,
W2 (Uвых+Uдм2)
где Uвх – значение выпрямленного напряжения сети, равное 1,41×220≈310В,
Uдм1 – падение напряжения на входном диодном мосте ≈ 1В,
Uдм2 – падение напряжения на выходном диодном мосте ≈ 1В,
Uнас – напряжение насыщения на ключевом транзисторе ≈ 1,6В.
Подставив значения, получаем конечную формулу W2 = W1×(Uвых+1)/153.
Это формула верна для случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу.
Если же данный параметр нас интересует при максимальном токе нагрузки, то практика показывает, что количество витков вторичной обмотки следует увеличить на 10%.
Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора. Диаметр этот достаточно просто вычисляется по формуле:
D = 1,13×√ I / J ,
где I – ток обмотки, а J – параметр плотности тока, напрямую зависящий от мощности трансформатора и принимающий для кольцевых сердечников значения:
≈4,5 для мощностей до 50Вт; ≈4 для 50-150Вт; ≈3,25 для 150-300Вт и ≈2,75 для 300-1000Вт.
И в завершении приведу незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора.
Точно так же, как и в случае с первичной обмоткой – вторичная должна быть как можно более равномерно распределена по периметру магнитопровода.
Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода. При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора.
При необходимости поиметь двуполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий – к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец – к GND-у.
Ну что ж, с трансформатором определились, пора озадачиться полным джентльменским набором настоящего мужчины – плавками с меховым гульфиком, а главное, непосредственно импульсным блоком питания, оснащённым такими значимыми прибамбасами, как устройства мягкого пуска и защиты от токовых перегрузок и КЗ.
Всё это хозяйство подробно опишем на странице Ссылка на страницу.
Онлайн расчет силового импульсного трансформатора. (10+)
Расчет трансформатора – Онлайн расчет трансформатора
Формулы для расчета числа витков трансформатора
Преобразуем формулы. Получим:
[Число витков первичной обмотки] = 2.5E5 [Амплитудное значение входного напряжения, В] / [Частота, Гц] / [Площадь сечения магнитопровода, кв. мм] / [Максимально приемлемая индукция, Тл]
Вашему вниманию подборки материалов:
Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
[Число витков вторичной обмотки] = [Число витков первичной обмотки] * [Амплитудное значение напряжения вторичной обмотки, В] / [Амплитудное значение входного напряжения, В]
Как мы видим из формул, число витков не зависит от магнитной проницаемости сердечника. Так как сердечник с зазором эквивалентен сердечнику с меньшей магнитной проницаемостью, но без зазора, то от размера зазора число витков также не зависит. Но от проницаемости (и от зазора) зависит ток холостого хода трансформатора. Если Он обратно пропорционален этой величине. Так как обычно мы заинтересованы в уменьшении холостого тока, то, если нет противопоказаний, лучше использовать материал с большей проницаемостью.
Скин-эффект и намотка жгутом
Силовые импульсные трансформаторы мы рекомендуем мотать жгутами из тонких проводов. Преимуществ несколько. Во-первых, исключается снин-эффект. Это такое неприятное явление, когда токи высокой частоты проходят по проводникам не по всему их объему, а стремятся распределиться по поверхности. Получается, что работает не весь проводник, а только его небольшой поверхностный слой. Отсюда избыточное омическое сопротивление обмотки и нагрев. Скин-эффект не проявляется на тонких проводах. До частоты 100 кГц мы применяем жгуты из провода диаметром 0.25 мм. На более высоких частотах рекомендуется диаметр провода еще уменьшить. Во-вторых, жгутом проще мотать, чем толстой медной шиной.
Сечение провода обмотки выбирается исходя из силы тока. Мы считаем допустимой плотность тока 5 А/кв. мм. Если Вы проектируете трансформатор с прицелом на сертификацию, то в разных странах есть разные стандарты на допустимую плотность тока. Ознакомьтесь с ними. Исходя из силы и плотности тока, получаем диаметр провода. Для частот меньше 100 кГц если он меньше 0.25 А, то мотаем одним проводом, если больше, то жгутом из проводов 0.25.
Определив количество витков в обмотках и количество проводов в жгутах, нужно проверить, поместятся ли обмотки в окне магнитопровода.
Теперь приведем онлайн расчет трансформатора. Этот расчет пригоден как для низкочастотных трансформаторов, так и для высокочастотных. Его можно применять для расчета не только силовых, но и других (например, управляющих, согласующих и т. д.) трансформаторов. Он пригоден для разных магнитопроводов. Необходимо только правильно рассчитать площадь сечения и площадь окна. Для Ш – образных сердечников. Площадь сечения равна площади зуба, а площадь окна произведению его ширины на его высоту. Для кольцевых (тороидальных) сердечников площадь сечения равна произведению высоты на половину разности внешнего и внутреннего диаметров, площадь окна равна ПИ умножить на квадрат внутреннего диаметра поделить на 4.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Здравствуйте. По поводу расчёта числа витков первички в импульсном тр. непонятно конкретно способ нахождения ‘Максимально приемлемая индукция, Тл’, или оно определяется как индуктивность, Гн через реактивное сопротивление? Читать ответ.
Конструирование (проектирование и расчет) источников питания и преобра.
Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Прим.
Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида.
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при.
Полумостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, .
Как работает полу-мостовой стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание.
Сверхмощный импульсный усилитель звука. Площади. Вещательный. Звуковой.
Сверхмощный импульсный усилитель звука для озвучивания массовых мероприятий и пр.
Несколько упрощенных формул для расчета обычных и импульсных трансформаторов ИБП и БП.
Упрощенная формула для расчета ферритовых трансформаторов для ИБП.
5760/F(кГц) = К
Sсеч/К = V(вольт) на 1виток
где:
F – частота преобразования в Гц.
S – сечение ферритового магнитопровода в мм.
V – количество вольт на 1 виток
К – коэффициент зависимости от частоты.
Упрощенная формула для расчета обычных трансформаторов 50Гц.
Sсеч.мм*0.0003=V(вольт) на 1 виток
где:
S – сечение магнитопровода в мм
V – кол.вольт на 1 виток
Упрощенная формула для определения сечения круглого обмоточного провода
D х D / 1.27 = Sсеч.мм
где:
D – диаметр провода
S – площадь сечения провода
Упрощенная усредненная формула для расчета необходимого сечения намоточного провода
A / 3.85 = Sсеч.мм
где:
A – номинальный ток нагрузки
S – площадь сечения провода
Пример расчета трансформатора импульсного БП.
Допустим, имеем Ш образный ферритовый сердечник с размерами центрального столбика 11 и 12мм. Необходимо определить площадь сечения магнитопровода.
Перемножаем размеры между собой 11х12=132мм Sсеч=132мм.кв. Один параметр уже есть!
О определяем частоту преобразования ИБП, возьмем к примеру 50кГц. F(Гц)=50кГц это второй параметр!
Теперь нужно определить коэффициент зависимости от частоты К. Берем первую формулу из файла: 5760/F(кГц)=К, подставляем цифры 5760/50=115 Kз.ч.= 115. Мы определили коэффициент зависимости от частоты, он равен 115
Берем вторую формулу из файла S/K=V(вольт) на 1виток. Снова подставляем цифры которые у нас уже есть. 132/115=1.1 вольт на 1 виток, то есть если нам нужно намотать 150В первичку для полумостовой схемы ИБП. Делим 150/1.1=136 витков. Остальные обмотки рассчитываются так же. Допустим нам нужна вторичка 12В, значит 12/1.1=11 витков.
Специально для начинающих: Артур (Левша)
