Как повысить индуктивность импульсного трансформатора

Как повысить индуктивность импульсного трансформатора

20% это ну совсем не то, что я ожидал.
Куда уж приближать еще первичку и вторичку? Они и так переплетены между собой.
Взял инверторный сварочник ZX7-250, в нем три силовых имп. трансформатора соединены параллельно. Индуктивность первички одного трансформатора оказалась равна ровно 2 мГ, а при замыкании вторички инд. рассеяния равна

10мкГ!
Вот это результат! 0,5%!
Невооруженным глазом видно, что как первичка, так и вторичка намотаны пучком проводов около 0,5 мм диаметром.
Результирующая индуктивность рассеяния составного трансформатора составляет около 3,3 мкГ. Достойный результат.
.-.-.-.
Решил попробовать большее число проводников (как известно виток из одиночного провода невозможно достаточно сильно связать с первичкой, если он занимает незначительную часть в площади заполнения окна и намотан не лентой, а обычным круглого сечения).
Загнал в кембрик пучек из 20 проводов ПЭВ d=0,3мм. Намотал (кажется, семь) витков на том же сердечнике.
Аналогично, 10 проводов соединил параллельно, 10 последовательно.
Результат: 4,08 мГ инд. первички, и 77 мкГ при закороченной первичке.
Уже намного лучше, но все-равно не то.
Что я делаю не так?
Догадываюсь, что такой рекордный результат в сварочнике достигнут намоткой вторички внутри половин первички. Неужели в одном пучке должно быть так сильно хуже?
Странно. Но разбирать инвертор для того, чтобы докопаться, как-то не хочется.
Спасибо.

Расчет импульсного трансформатора для двухтактного преобразователя и согласующих устройств

В правильно сконструированном двухтактном преобразователе постоянный ток через обмотку и подмагничивание сердечника отсутствуют. Это позволяет использовать полный цикл перемагничивания и получить максимальную мощность. Поскольку трансформатор имеет много взаимозависимых параметров, расчет ведут по шагам, уточняя при необходимости исходные данные.

1. Как определить число витков и мощность?

Габаритная мощность, полученная из условия не перегрева обмотки, равна [1]:

Pгаб = So ⋅ Sc ⋅ f ⋅ Bm / 150 (1)

Где: Pгаб — мощность, Вт;
Sc — площадь поперечного сечения магнитопровода, см 2 ;
So — площадь окна сердечника, см 2 ;
f — частота колебаний, Гц;
Bm = 0,25 Тл — допустимое значение индукции для отечественных никель-марганцевых ферритов на частотах до 100 кГц.

Максимальную мощность трансформатора выбираем 80% от габаритной:

Pmax = 0,8 ⋅ Pгаб (2)

Минимальное число витков первичной обмотки n1 определяется максимальным напряжением на обмотке Um и допустимой индукцией сердечника Bm:

n1 = ( 0,25 ⋅ 10 4 ⋅ Um ) / ( f ⋅ Bm ⋅ Sc ) (3)

Размерности единиц здесь те же, что и в формуле (1).

Плотность тока в обмотке j для трансформаторов мощностью до 300 Вт принимаем 3..5 А/мм 2 (большей мощности соответствует меньшее значение). Диаметр провода в мм рассчитываем по формуле:

d = 1,13 ⋅ ( I / j ) 1/2 (4)

Где I — эффективный ток обмотки в А.

Пример 1:

Для ультразвуковой установки нужен повышающий трансформатор мощностью 30..40 Вт. Напряжение на первичной обмотке синусоидальное, с эффективным значением Uэфф = 100 В и частотой 30 кГц.

Выберем ферритовое кольцо К28x16x9.

Площадь его сечения: Sc = ( D — d ) ⋅ h / 2 = ( 2,8 — 1,6 ) ⋅ 0,9 / 2 = 0,54 см 2
Площадь окна: So = π ⋅ ( d / 2 ) 2 = π⋅ ( 1,6 / 2 ) 2 = 2 см 2
Габаритная мощность: Pгаб = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 / 150 = 54 Вт
Максимальная мощность: Pmax = 0,8 ⋅ 54 = 43,2 Вт
Максимальное напряжение на обмотке: Um = 1,41 ⋅ 100 = 141 В
Число витков: n1 = 0,25 ⋅10 4 ⋅ 141 / ( 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 ⋅ 0,54 ) = 87
Число витков на вольт: n0 = 87 / 100 = 0,87
Эффективное значение тока первичной обмотки: I = P / U = 40 / 100 = 0,4 A
Плотность тока выберем 5 А/мм 2 .
Тогда диаметр провода по меди: d = 1,13 ⋅ ( 0,4 / 5 ) 1/2 = 0,31 мм

2. Как уточнить плотность тока?

Если мы делаем маломощный трансформатор, то можем поиграть с плотностью тока и выбрать более тонкие провода, не опасаясь их перегрева. В книге Эраносяна [2, Стр.109] дана такая табличка:

Почему плотность тока зависит от мощности трансформатора?

Выделяемое количество теплоты равно произведению удельных потерь на объем провода. Рассеиваемое количество теплоты пропорционально площади обмотки и перепаду температур между ней и средой. С увеличением размера трансформатора объем растет быстрее площади и для одинакового перегрева удельные потери и плотность тока надо уменьшать. Для трансформаторов мощностью 4..5 кВА плотность тока не превышает 1..2 А/мм 2 [3].

3. Как уточнить число витков первичной обмотки?

Зная число витков первичной обмотки n вычислим ее индуктивность. Для тороида она определяется по формуле:

L = μ0 ⋅ μ ⋅ Sс ⋅ n 2 / la (5)

Где:
Площадь Sс дана в м 2 ;
средняя длина магнитной линии la в м;
индуктивность в Гн;
μ0 = 4π ⋅ 10 -7 Гн/м — магнитная постоянная.

В инженерном виде эта формула выглядит так:

Коэффициент A_L и параметр мощности Sо ⋅ Sc для некоторых типов колец приведены в Таблице 2 [4,5,6]:

Для работы трансформатора в качестве согласующего устройства должно выполняться условие:

L > ( 4 .. 10 ) ⋅ R / ( 2 ⋅ π ⋅ fmin ) (6)

Где L — индуктивность в Гн;
R = U 2 эфф / Pн приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки Ом;
fmin — минимальная частота, Гц.

В ключевых преобразователях в первичной обмотке трансформатора текут два тока: прямоугольный ток нагрузки Iпр = Um / R и треугольный ток намагничивания обмотки I_T:

Для нормальной работы преобразователя величина треугольной составляющей не должна превышать 10% от прямоугольной, т.е индуктивность обмотки должна удовлетворять неравенству:

При необходимости число витков увеличивают или применяют феррит с большей μ. Чрезмерно завышать число витков в обмотке не желательно. Из-за роста межвитковой емкости на рабочей частоте могут возникнуть резонансные колебания.

Выбранный феррит должен иметь достаточную максимальную индукцию и малые потери в рабочей полосе частот. Как правило, на низких частотах (до 1 МГц) применяют феррит с μ = 1000 .. 6000 , а на радиочастотах приходиться использовать материалы с μ = 50 .. 400.

Пример 2:

Трансформатор из Примера 1 намотан на кольце К28х16х9 из никель-марганцевого феррита 2000НМ с магнитной проницаемостью μ = 2000.
Мощность нагрузки P = 40 Вт , эффективное напряжение первичной обмотки Uэфф = 100 В , частота f = 30 кГц. Уточним число его витков.

Приведенное сопротивление нагрузки: R = 100 2 / 40 = 250 Ом
Площадь поперечного сечения магнитопровода: Sc = 0,54 см 2 = 0,54 ⋅ 10 -4 м 2
Средняя длина магнитной линии: la = π ( D +d ) / 2 = π ( 2,8 + 1,6 ) ⋅ 10 -2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 -2 м
Коэффициент индуктивности: A_L = 4π ⋅ 10 -7 ⋅ 2000 ⋅ 0,54 ⋅ 10 -4 / 6,9⋅10 -2 = 1966 нГн / вит 2

Минимальная индуктивность первичной обмотки по формуле (6):
L = 10 ⋅ 250 / ( 2π ⋅ 3 ⋅ 10 4 ) = 13,3 мГн
Число витков: n = (13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6 ) 1/2 = 82

Оно даже меньше, чем рассчитанное ранее в Примере 1 nmin = 87.
Таким образом, условие достаточной индуктивности выполнено и число витков первичной обмотки n = 87.

4. Какие ферриты можно применить и почему?

Как известно, сердечник в трансформаторе выполняет функции концентратора электромагнитной энергии. Чем выше допустимая индукция B и магнитная проницаемость μ , тем больше плотность передаваемой энергии и компактнее трансформатор. Наибольшей магнитной проницаемостью обладают т.н. ферромагнетики — различные соединения железа, никеля и некоторых других металлов.

Магнитное поле описывают две величины: напряженность Н (пропорциональна току обмотки) и магнитная индукция В (характеризует силовое действие поля в материале). Связь В и H называют кривой намагничивания вещества. У ферромагнетиков она имеет интересную особенность — гистерезис (греч. отстающий) — когда мгновенный отклик на воздействие зависит от его предыстории.

После выхода из нулевой точки (этот участок называют основной кривой намагничивания) поля начинают бегать по некой замкнутой кривой (называемой петлей гистерезиса). На кривой отмечают характерные точки — индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Br и коэрцитивную силу Нс.

Рис.1. Магнитные свойства ферритов. Слева форма петли гистерезиса и ее параметры. Справа основная кривая намагничивания феррита 1500НМ3 при различных температурах и частотах: 1 — 20кГц, 2 — 50кГц, 3 — 100 кГц.

По значениям этих величин ферромагнетики условно делят на жесткие и мягкие. Первые имеют широкую, почти прямоугольную петлю гистерезиса и хороши для постоянных магнитов. А материалы с узкой петлей используют в трансформаторах. Дело в том, что в сердечнике трансформатора есть два вида потерь — электрические, и магнитные. Электрические (на возбуждение вихревых токов Фуко) пропорциональны проводимости материала и частоте, а вот магнитные тем меньше, чем меньше площадь петли гистерезиса.

Ферриты это пресс порошки окисей железа или других ферромагнетиков спеченные с керамическим связующим. Такая смесь сочетает два противоположных свойства — высокую магнитную проницаемость железа и плохую проводимость окислов. Это минимизирует как электрические, так и магнитные потери и позволяет делать трансформаторы, работающие на высоких частотах. Частотные свойства ферритов характеризует критическая частота fc , при которой тангенс потерь достигает 0,1. Тепловые — температура Кюри Тс , при которой μ скачком уменьшается до 1.

Отечественные ферриты маркируются цифрами, указывающими начальную магнитную проницаемость, и буквами, обозначающими диапазон частот и вид материала.

Наиболее распространен низкочастотный никель-цинковый феррит, обозначаемый буквами НН. Имеет низкую проводимость и сравнительно высокую частоту fc. Но у него большие магнитные потери и невысокая температура Кюри.

Никель-марганцевый феррит имеет обозначение НМ. Проводимость его больше, поэтому fc низкая. Зато малы магнитные потери, температура Кюри выше, он меньше боится механических ударов.

Иногда в маркировке ферритов ставят дополнительную цифру 1, 2 или 3. Обычно, чем она выше, тем более температурно стабилен феррит.

Какие марки ферритов нам наиболее интересны?

Для преобразовательной техники хорош термостабильный феррит 1500НМ3 с fc=1,5 МГц, Bs=0,35..0,4 Тл и Tc=200 ℃.

Для спец применений выпускают феррит 2000НМ3 с нормируемой дезакаммодацией (временной стабильностью магнитной проницаемости). У него fc=0,5 МГц, Bs=0,35..0,4 Тл и Tc=200 ℃.

Для мощных и компактных трансформаторов разработаны ферриты серии НМС. Например 2500НМС1 с Bs=0,45 Тл и 2500НМС2 c Bs=0,47 Тл. Их критическая частота fc=0,4 МГц, а температура Кюри Tc>200 ℃.

Что касается допустимой индукции Bm, этот параметр подгоночный и в литературе не нормируется. Ориентировочно можно считать Bm = 0,75 Вsmin. Для никель-марганцевых ферритов это дает примерно 0,25 Тл. С учетом падения Bs при повышенных температурах и за счет старения в ответственных случаях лучше подстраховаться и снизить Bm до 0,2 Тл.

Как повысить индуктивность импульсного трансформатора

Как повысить индуктивность импульсного трансформатора

20% это ну совсем не то, что я ожидал.
Куда уж приближать еще первичку и вторичку? Они и так переплетены между собой.
Взял инверторный сварочник ZX7-250, в нем три силовых имп. трансформатора соединены параллельно. Индуктивность первички одного трансформатора оказалась равна ровно 2 мГ, а при замыкании вторички инд. рассеяния равна

10мкГ!
Вот это результат! 0,5%!
Невооруженным глазом видно, что как первичка, так и вторичка намотаны пучком проводов около 0,5 мм диаметром.
Результирующая индуктивность рассеяния составного трансформатора составляет около 3,3 мкГ. Достойный результат.
.-.-.-.
Решил попробовать большее число проводников (как известно виток из одиночного провода невозможно достаточно сильно связать с первичкой, если он занимает незначительную часть в площади заполнения окна и намотан не лентой, а обычным круглого сечения).
Загнал в кембрик пучек из 20 проводов ПЭВ d=0,3мм. Намотал (кажется, семь) витков на том же сердечнике.
Аналогично, 10 проводов соединил параллельно, 10 последовательно.
Результат: 4,08 мГ инд. первички, и 77 мкГ при закороченной первичке.
Уже намного лучше, но все-равно не то.
Что я делаю не так?
Догадываюсь, что такой рекордный результат в сварочнике достигнут намоткой вторички внутри половин первички. Неужели в одном пучке должно быть так сильно хуже?
Странно. Но разбирать инвертор для того, чтобы докопаться, как-то не хочется.
Спасибо.

Устройство и принцип работы трансформаторов

Трансформатор преобразует напряжение с помощью взаимоиндукции. И по сути эта делать простая, но очень эффективная. Это происходит благодаря переменному магнитному полю, которая связывает несколько катушек друг с другом. Трансформатор преобразует только переменные и импульсные токи.

Как работает трансформатор

Трансформатор работает за счет взаимоиндукции. Для начала разберем, что такое индукция.

Что такое индукция

Если по проводу пустить электрический ток, то возникнет магнитное поле.

Магнитное поле — неотъемлемая часть электрического. И в магнитном поле сохраняется энергия электрического.

У постоянных магнитов наличие магнитного поля объясняется направлением «доменов в одну сторону». Т.е. у каждого отдельно взятого атома есть свое маленькое магнитное поле. У постоянных магнитов эти маленькие магнитные поля направлены в одну сторону. Поэтому у постоянного магнита такое сильное магнитное поле.

И другие материалы можно намагнитить, т.е. сделать так, чтобы магнитные поля были направлены в одну сторону. Так получится «искусственно созданный» магнит.

Кстати, среди ремонтников очень популярен магнит, который намагничивает и размагничивает отвертки. Таким отвертками удобно пользоваться, поскольку маленькие болтики и винтики останутся на отвертке и не упадут в случае неосторожного движения.

А индуктивность — это способность материала накапливать магнитное поле, когда по этому материалу течет электрический ток.

Чем больше материал может создать магнитное поле, тем выше его индуктивность.

Магнитное поле можно увеличить, если сделать катушку.

Достаточно взять проволоку, намотать ее на каркас. И магнитные поля витков будут складываться.

Это и есть катушка индуктивности.

Если мы подаем на катушку постоянный ток, то и магнитное поле будет постоянным. Оно не будет меняться. А что если отключить катушку от источника? Тогда наступит явление самоиндукции. Так как ток уменьшается, то магнитное поле больше нечем поддерживать. И вся так энергия, которая была в магнитном поле, переходит в электрическую.

Изменение магнитного поля создает электрическое поле.

Увеличение индуктивности сердечником

А как увеличить индуктивность? Только с помощью количества витков и диаметром провода? На индуктивность еще влияет окружающая среда. Воздух — не самый лучший материал для накопления или передачи магнитного поля. У него низкая магнитная проницаемость. Тем более, при изменении плотности и температуры воздуха, это значение меняется. Поэтому, для увеличения индуктивности используют ферромагнетики. К ним относят железо, никель, кобальт и др.

Если сделать сердечник в центре катушки из таких материалов, то можно многократно повысить индуктивность катушки.

Из ферромагнетиков делают сердечники (магнитопроводы). В основном используют электротехническую сталь, которую специально делают для этих целей.

Кстати, теперь намного проще регулировать индуктивность с сердечником. Достаточно плавно передвигать сердечник внутри катушки, и индуктивность будет плавно меняться. Это удобнее, чем двигать витки друг от друга.

Взаимоиндукция и принцип передачи тока

Раз можно накопить энергию в катушке за счет магнитного поля, то можно передать эту энергию в другую катушку.

Допустим, есть две одинаковые катушки индуктивности. Одна подключена к питанию, другая нет.

При подключении питания, у первой катушки возникнет магнитное поле. И если приблизить вторую катушку к первой, у второй катушки индуцируется ЭДС за счет магнитного поля первой.

Но ЭДС второй катушки будет не долгим явлением. Если на первую катушку подается постоянное напряжение, то и магнитное поле будет постоянным.

А электрический ток возникает только при переменном магнитное поле. Поэтому, ток во второй катушке сразу исчезнет, как только стабилизируется магнитное поле.

Если поменяем полярность на первой катушке, то и изменится ее магнитное поле. А это значит, что оно будет изменяться и во второй катушке. Это снова индуцирует ток во второй катушке, но не надолго.

Чтобы непрерывно можно было передать ток от первой катушки ко второй, нужен переменный источник тока. Переменный ток создает переменное магнитное поле. А переменное магнитное поле проницая проводник создает в нем переменный наведенный ток.

Такое явление называют взаимоиндукцией. Когда за счет индуктивности ток из одной части цепи можно передать в другую используя электромагнитное поле.

Многие путают электромагнитную индукцию и взаимоиндукцию. Но это разные явления, хоть и принцип действия во многом схож.

Кроме переменного тока можно использовать и импульсный ток, в котором плюс и минус не меняются местами. Главное выполнять правило — ток должен менять свое значение. И тогда будет переменное магнитное поле.

Кстати, когда работают блоки питания и светильники, издаваемый гул от них — это звук от катушек или их сердечников. Это из-за индукции. Магнитное поле из-за разного направления в катушках частично сдвигает витки и сердечники, отсюда и появляется тот самый звон. Это касается и электродвигателей. Поэтому такие детали заливают смолой или компаундом, чтобы уменьшить издаваемый звук.

Устройство трансформатора

А если катушки будут разными? Тогда можно преобразовать напряжение из одной величины в другую. Так и работает трансформатор. Трансформатор преобразует напряжение с первичной обмотки в напряжение другой величины на вторичной обмотке.

Трансформатор работает только с переменным, импульсным или любым другим током, у которого изменяется значение со временем.

Трансформатор преобразует ток и напряжение, но он не позволяет увеличить мощность. Даже наоборот, из-за нагрева он немного забирает мощность. И не смотря на это, его КПД может доходить вплоть до 99%.

Классический трансформатор

Разберем устройство классического трансформатора.

Основная его функция — это снижение или повышение напряжения для блока питания. Работает за счет сетевого напряжения и низкой частоты (от 50 Гц). Частота переменного тока важна для расчетов.

Классический трансформатор состоит из первичной и вторичной обмотки, а также сердечника (магнитопровода).

На первичную обмотку подается то напряжение, которое нужно преобразовать. А со вторичной обмотки снимают то напряжение, которое получилось за счет взаимоиндукции. Сердечник увеличивает магнитный поток.

Как же происходит преобразование? Все просто. Можно рассчитать индуктивность первичной и вторичной обмотки. Если нужно низкое напряжение, то вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная. Раз первичная работает за счет сетевого напряжения, то и рассчитывается на 220 В с небольшим запасом из-за колебаний сети.

Напряжение на вторичной обмотке сдвинуто по фазе относительно первичной. Это связано с явлением взаимоиндукции. На графике показана примерная разница по синусоиде.

Трансформаторы могут быть источниками фазовых искажений. Они изменяют сигналы по фазе из-за индуктивности, как показано на графике выше.

На принципиальных схемах классический трансформатор обозначается двумя катушками с сердечником.

Соответственно, если у трансформатора несколько вторичных обмоток, то и количество катушек на схеме будет другим.

Количество обмоток на трансформаторе может быть любым. Могут быть и несколько первичных и вторичных обмоток. А еще есть трансформаторы с общей точкой для двуполярного питания.

Кстати, если вы думаете, что у трансформатора нет сторон, как у диодов или транзисторов, то вы ошибаетесь. У трансформатора тоже есть начало обмотки и конец обмотки. На принципиальных схемах обозначение начала обмотки обозначается точкой и цифрами.

Зачем это надо? Дело в том, что магнитная индукция имеет свое направление, и на этом заложен весь принцип работы схемы. Если подключить обмотку не так, как показано на схеме, то вся схема перестанет работать как изначально задумывалось. Еще как пример можно привести трёхфазные электродвигатели. У них и вовсе для правильной работы важно знать начало и конец обмотки.

Коэффициент трансформации

У трансформаторов есть такое понятие, как коэффициент трансформации. Это отношение его входных и выходных характеристик (отношение количества витков первичной обмотки к вторичной).

Например, если трансформатор понижающий, с 220 В до 12 В, то его коэффициент больше единицы, то есть К<1. А если понижающий, то наоборот К>1. У разделительного коэффициент равен 1.

От чего зависит мощность трансформатора

При расчете учитываются следующие параметры:

• Размеры магнитопровода (сердечника);
• Количество витков;
• Сечение провода;
• Количество обмоток;
• Частота работы.

И все эти значения меняются в зависимости от расчетной мощности и требуемых параметров.

Типы классических трансформаторов

Классические трансформаторы по типу магнитопровода и расположению катушек разделяются на три основных вида:

Броневые чаще всего состоят из Е-пластин (или Ш, как многие называют), которые изолируются друг от друга лаком. В этом типе катушки заключены внутри сердечника как под броней. Поэтому они так и называются.

А еще сердечник может быть ленточным, но расположение катушек от этого не меняется.

Однако в плане эффективности преобразования мощности — это не самый лучший вариант. Магнитный поток получается неравномерным. Да и броневой трансформатор более уязвим к наводкам и помехам извне. Но зато у такого типа есть неоспоримое преимущество. Катушка наматывается достаточно просто, а сборка магнитопровода не составляет особого труда.

Такие трансформаторы чаще всего применяются в мелкогабаритной бытовой технике. Например, их можно часто встретить в мощных звуковых колонках от компьютеров.

Стержневые отличаются особенностями расположения катушек и конструкцией магнитопровода. Такой тип трансформаторов еще называют П-образным. Это связано с тем, что конструктивно сердечник такого трансформатора ленточный, и он собирается из узкой ленты электротехнической стали. И чтобы установить катушки в сердечник, его делают из двух форм в виде буквы П.

После установки двух катушек на первую часть сердечника, вторая часть замыкает ее при окончательной сборке.

Этот тип противоположность броневому. У такого трансформатора обмотки находятся снаружи, а у броневого наоборот, внутри.

Тороидальные трансформаторы являются самыми эффективными, и в тоже время самыми сложными в изготовлении. Сложности изготовления заключаются в том, что сердечник имеет форму тора. Он замкнут, и поместить катушки в сердечник так просто как в стержневых и броневых не получится.

Можно и разъединить трансформаторное железо на две полукруглые части (как П-образный трансформатор), но обмотку не получится намотать. Она будет не такая плотная и ровная.

Поэтому наматывают витки сразу на сердечник. А это намного дольше, да и автоматизировать такой процесс сложнее. Соответственно, и цена на такой трансформатор будет выше.

Режимы работы трансформаторов

Есть три основных режима:
1. Режим холостого хода. Первичная обмотка подключена к сети, но вторичная обмотка не подключена к нагрузке.

2. Режим нагрузки. Это рабочий режим. Первичная обмотка преобразует сетевое напряжение, а вторичная принимает его и подает в нагрузку.

3. Режим короткого замыкания. Вторичная обмотка находится в коротком замыкании. Это аварийный режим для большинства трансформаторов. В этой ситуации он может быстро нагреться и выйти из строя.

Все режимы и их критические параметры также зависят и от типа трансформатора. Например, для трансформатора тока, холостой режим является аварийным.

Импульсные трансформаторы

У импульсных трансформаторов другой тип действия. Они преобразуют напряжение до высоких частот с помощью схемы управления. Конечно из-за этого усложняется схема работы, но это позволяет накапливать большое количество энергии в катушках. Большое преимущество перед классическим трансформаторов — это компактность. Если классический трансформатор на 100 Вт будет большим, то импульсный в десятки раз меньше.

Из недостатков импульсных блоков питания — это наличие импульсных помех. Но и эти помехи удается сглаживать. Поэтому, все блоки питания в компьютерах, ноутбуках и зарядных устройствах чаще всего сделаны на импульсных трансформаторах.

Еще импульсные трансформаторы питают лампы подсветки в мониторах, которые подсвечивают матрицу. Это касается TFT мониторов.

Отличия импульсных трансформаторов от классических

Тезисно можно выделить несколько различий:

• Частота работы;
• Состав сердечника;
• Размеры;
• Схема работы;
• Стоимость.

А еще, как правило, у импульсных трансформаторов больше обмоток, чем у классических.

Почему сердечник не делают сплошным

Сердечники (магнитопроводы) делают из железных пластин потому, что во время работы появляются токи Фуко. Их называют еще вихревыми токами. Эти токи появляются от наводок обмоток в сердечнике. В итоге сердечник может перегреться, и даже расплавить катушки.

Поэтому, для трансформаторов низкой частоты делают сердечники из изолированных друг от друга пластин.

Пластины могут быть покрыты лаком, или изолированы бумагой между собой. Это уменьшает короткие замыкания в пластинах.

Что делает трансформатор

У трансформатора много полезных и важных функций:

• Передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов. Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт. Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.

• Питает электронику. Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. По сути, он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.

• Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др.

• Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике. Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей. Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения. И здесь, кстати, используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки).

Это название неспроста, так как такой трансформатор выполняет функцию строчной развертки. По сути кинескоп — это и есть электронно-лучевая трубка. Поэтому, для работы телевизоров, где используется кинескоп, нужен строчный трансформатор.

• Согласует сопротивления. В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку.

Например, выход усилителя 2 кОм, а трансформатор согласует сопротивление и понижает напряжение для щадящей работы динамиков. А на его вторичной обмотке сопротивление всего несколько десятков Ом.

• Для безопасности. Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и блоком питания. Это последний рубеж безопасности в блоке питания, если что-то пойдет не так. Будет время для срабатывания предохранителя. Или же катушки и магнитопровод расплавятся, но потребителю не дадут сетевую нагрузку. Он физически не связан с сетью 220 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукции). И если трансформатор рассчитан на 100 Вт, то он сможет выдать только 100 Вт.

Поэтому, потребитель будет защищен от опасных высоких токов. Именно из-за этого бестрансформаторные блоки питания считаются опасными.

• Деталь оружия. В электрошокерах используются высокие напряжения. И их помогает форматировать высоковольтный трансформатор. А еще он используется в некоторых схемах Гаусс пушки.

Вопросы об устройстве трансформатора

-Почему зазор между катушками делается минимальным?
Это делается для лучшего контакта магнитных полей. Если зазор будет большим — то и эффективность трансформатора будет низкая.

-А можно ли сделать трансформатор без сердечника аналогичный мощности с сердечником?
Да, но тогда придется увеличивать количество витков, чтобы увеличить магнитный поток. Например, с сердечником у обмоток витки могут быть по несколько тысяч. А без сердечника придется увеличивать магнитный поток за счет витков. И количество витков будет по несколько десяток тысяч. Это не только увеличивает размеры катушек, но и снижает их эффективность и увеличивает шансы перегрева.

-Можно ли подключить понижающий трансформатор как повышающий?
Если у вас есть трансформатор, который понижает сетевое напряжение с 220 В в 12 В, то его можно подключить как повышающий. То есть, вы можете подать на него переменное напряжение 12 В на вторичную обмотку и получить повышенное на первичной 220 В.

-А что будет, если на вторичную обмотку понижающего трансфоратора подать сетевое напряжение?
Тогда обмотка сгорит. Её сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения.

-Можно ли сделать трансформатор самостоятельно своими руками в домашних условия?
Да, это вполне реально. И многие радиолюбители и электронщики этим занимаются. А некоторые еще и зарабатывают. продавая готовую продукцию. Но стоит помнить о том, что это долгий, сложный и не простой труд. Нужны качественные материалы. Это трансформаторное железо, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материалы.

Все материалы должны быть высокого качества. Если медный провод будет с плохой изоляцией, то возможно межвитковое замыкание, которое неминуемо приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, которые доступны в сети.

Далее, это долгие часы сборки. Особенно если вы решили намотать тороидальные трансформатор.

Нужно плотно и равномерно наматывать витки, записывать каждый десяток, чтобы не запутаться и не изменить характеристики будущего преобразователя или блока питания.

-Что будет, если включить трансформатор без сердечника?
Так как трансформатор рассчитывался изначально с сердечником, то и преобразовать полностью напряжение он не сможет. То есть, на вторичке что-то будет, но явно не те параметры. Да и если подключите нагрузку к обмоткам без сердечника, они быстро нагреются и сгорят.

Неисправности трансформаторов

К основным неисправностям трансформаторов можно отнести:

• Коррозия и наличие ржавчины на сердечнике;
• Перегрев и нарушение изоляции;
• Межвитковое короткое замыкание;
• Деформация корпуса, обмоток и сердечника
• Попадание воды в обмотку.

Как проверить на целостность

Трансформатор можно проверить обычным мультиметром. Установите прибор в режим измерения сопротивления и проверьте обмотки.

Они не должны быть в обрыве, никогда. Если нигде обрывов нет, то можно найти первичную и вторичную обмотки при помощи измерения сопротивления. У первичной обмотки понижающего трансформатора сопротивление будет выше, чем у вторичной. Это все из-за количества витков. Чем больше витков и чем меньше диаметр провода — тем больше сопротивление обмотки.

Так же вы можете найти паспорт на свой трансформатор. В нем указываются сопротивления обмоток, и их параметры, которые нужно будет проверить мультиметром.

Безопасная проверка работы трансформатора

Если вы решили намотать свой трансформатор или проверить старый, то обязательно подключайте лампочку в разрыв цепи (последовательно!). Если что-то не так произойдет то, лампочка загорится и заберет ток на себя и сможет спасти неисправный трансформатор.

Трансформаторы много где используются. Их конструкция разная и для каждой задачи она по-своему уникальна.

Интересные факты про трансформаторы

Трансформатор — это самый эффективный преобразователь. Его КПД (коэффициент полезного действия) может доходить до 99% (силовые трансформаторы). А вот у ДВС (двигатель внутреннего сгорания), КПД обычно не выше 30%.

Самый эффективный, но в тоже время и самый сложный в изготовлении — это тороидальный трансформатор. Он эффективен благодаря расположению катушек и магнитопроводу. Это усложняет процесс изготовления, особенно в промышленных масштабах.

О трансформаторе импульсном замолвите слово

Несмотря не то, что не так давно проскакивали довольно неплохо написанные статьи о расчете трансформатора импульсного источника питания, я предложу вашему вниманию свою методику, и не просто голую методику, а максимально прозрачное описание принципов, в ней использующихся.

Картинок не будет, будет около 18 несложных формул и много текста. Всех желающих приобщиться прошу на борт.

Я хочу поведать вам о том, как расчитать такого хитрого зверя, как импульсный трансформатор обратноходового источника питания. Обратноходовик, или FlyBack — это, наверное, самая популярная топология импульсного преобразователя. По моему мнению, в ИИП есть два очень важных и тонких момента — это трансформатор и петля обратной связи. В данной статье я хочу показать один из возможных наборов несложных математических уравнений, решая которые мы можем получить данные вполне реального трансформатора для флайбэка.

В интернете, в различных авторских статьях, или в AppNotes различных производетелей, можно найти различные методики расчета, которые зачастую максимально «сжаты», так, что из формул совершенно не понятно, как они получается. Я хочу сделать упор не на точность, а на максимальную наглядность и прозрачность производимых расчетов, так чтобы вы поняли, «почему так».

Далее постараюсь писать кратко и емко, так, чтобы вы смогли сесть и посчитать сразу после прочтения статьи. Эпюры напряжений и токов в обратноходовом источнике рисовать не буду, считаю, что вы достаточно подготовлены для того, что бы такие термины, как «индуктивность рассеяния», «отраженное напряжение», «пиковое значение тока через силовой ключ», «размагничивание магнитопровода» вам понятны.

Итак, считать будем трансформатор обратноходового источника питания, без корректора коэфициента мощности, как наиболее распространенный, да и «расчётка» моя пока только под него заточена.

Отдельно сделаю примечание, что подразумевается т.н. квазирезонансный режим работы преобразователя, когда накачка энергии в трансформатор начинается сразу после полного размагничивания магнитопровода. Т.е. т.н. «коэффициент безразрывности тока» =1, т.е. как только вся энергия вытекла через вторичную обмотку(и рассеялась в снабберной цепи), сразу включаем ключ и накачиваем снова. Такой режим в последнее время очень популярен в обратноходовых источниках питания, т.к. позволяет чуток поднять КПД.

Заранее оговорюсь — нижеприведенная методика весьма груба, но она «железобетонно» работает, многократно проверена на реальных трансформаторах в реальных источниках питания.

Для начала скачайте расчетку, откройте, пробегитесь глазами. В нее уже «вбиты» значения для расчета трансформатора источника питания, с выходной мощностью 100Вт.

Расчетка: к сожалению, по какой-то неведомой мне причине, публичная ссылка не отображается.
Возможно публикация публичных ссылок противоречит правилам. Надеюсь на то, что модераторы услышат этот крик души и снизошлют на меня персональную настройку фильтра, а пока можете переписать в Эксель, или маткад, все нижеприводимые формулы и получить годный результат.

Итак, поехали. Для того, чтобы начать расчет нам потребуется задаться несколькими исходными параметрами (все они выделены зеленым цветом в расчетке), а именно:

1. Выходная мощность источника питания для которого делаем трансформатор (POUTmax).
2. Выходное напряжение источника (Uout)(1).
3. Выходное напряжение служебной обмотки (Ubias)(2).
4. Минимальное напряжение питающей сети (UACmin)(3).
5. Максимальное напряжение в сети (UACmax)(3).
6. Уровень пульсаций на фильтрующем конденсаторе сетевого выпрямителя (Urpl)(4).
7. Ожидаемый КПД трансформатора (берите 0,85 и не прогадаете) (ŋ).
8. Частота работы преобразователя (5).
9. Пиковое значение тока протекающего через ключ коммутирующий первичную обмотку (ILPRpeak) (6).

(1) Если выходные напряжения достаточно низкие- учитывайте прямое падение напряжения на диоде.
(2) В подавляющем большинстве конструкций источников питания, требуется третья обмотка, от которой будет питаться управляющая микросхема.
(3) Всегда берите с запасом, т.е. если указан диапазон 180-264, берите от 160 до 280.
(4) Этот параметр зачастую можно только угадать, берите 10% от постоянной составляющей на нем и не ошибетесь, по факту полученного рабочего прототипа «подрихтуете» расчет.
(5) Частота к преобразователях с ожиданием размагничивания сердечника- плавающая, берем «с потолка» такую, которую хотим получить при полной нагрузке.
(6) Я надеюсь вы в курсе, что форма тока треугольная, что коммутирует ключ, что такое ключ и т.п.

Итак, первая формула:
Начнем с определения индуктивности первичной обмотки, Lpr.

Для упрощения я выкину КПД, и множитель 1000, который нужен только для приведения результата к микроГенри от Генри, получится нижеследующее уравнение:

На первый взгляд совершенно непонятно как так получается. Давайте попробуем ее преобразовать. Перенеся множители справа-налево, получим.

Преобразуем правую часть, получим:

Итак, в левой части у нас энергия содержащаяся в индуктивности (учебник физики, если не понятно). В правой части имеем мощность которая расходуется за период работы преобразователя. Т.е. энергия запасенная в индуктивности первичной обмотки (на этапе накачки, от начала периода до размыкания ключа) равна мощности передаваемой в нагрузку за весь период T (от начала накачки, до полного исчерпания энергии в трансформаторе и начала нового импульса).

В установившемся режиме то, что закачали в трансформатор из сети, должно равняться тому, что слили в нагрузку. Т.е. все рассуждения предполагают, что наш источник уже работает, а не стартует.

Оставим-же пока эту формулу (1), мы потом воспользуемся ею в расчётке, я лишь хотел продемонстрировать как она так получается.
Теперь о параметрах. Присмотримся к формуле. Зафиксировав (выбрав на свое усмотрение) три из четырех неизвестных, мы можем получить значение четвертой.

Мощность (POUTmax), мы уже задали.

Частота, ее можно просто выбрать по своему желанию. Не мудрствуя лукаво тыкнем скажем 50кГц и не проиграем. Лезть за 150кГц не стоит, так как потери на переключение станут неоправданно высокими, да еще скинэффект, не нужно это нам во флайбэке.

Пиковое значение тока через первичную обмотку, и одновременно ключ- ILPRPeak, это параметр на нервах которого мы будем играть. Выбирая его значение ILPRPeak, мы изменяем Lpr, а вместе с ней еще много чего другого. В моей расчетке будем менять ILPRpeak и наблюдать за другими ячейками таблицы, в которых будут находится результаты других формул. Опять-же, ближе к реальности, для 100Вт источника можно задаться для начала ILPRpeak= 3…4A.

Просто попробуйте подставить в ячейку различные числа, и вы увидите, как изменятся другие производные параметры. В частности, выбирая пиковый ток «первички», мы смотрим на «отраженное» напряжение, и исходим из соображений наличествующих у нас ключей. Так же этот параметр влияет на пиковое значение тока «вторички», что тоже важно, ибо во флайбэках токи имеют форму прямоугольного треугольника, и пиковые значения в разы превышают действующие, т.е. если ток нагрузки 5А, то пиковое может быть и 50, ориентируйтесь на наличествующие диоды и потери в меди обмотки.

Тут упрощать нечего, думаю понятно, что мы получаем самое худшее значение постоянного напряжения, с учетом просадки на буферном конденсаторе, что стоит за сетевым выпрямителем, или за ККМ.

В формуле (3) мы вычисляем, сколько времени должен быть открыт ключ, чтоб ток в индуктивности, при приложении к ней нашего самого худшего UDCmin вырос от нуля до желаемого ILPRpeak.

Частотой мы задались ранее, период посчитали в (4). На 1000 умножаем потому, что желаемую частоту мы записали в кГц а не в 1000-х Герц.

Оставшаяся часть периода, которая будет посвящена передаче энергии в нагрузку, вычисляется по формуле (5).

Максимальный коэффициент заполнения для худшего напряжения в сети и максимальной просадки на фильтрующем конденсаторе вычисляем в (6).

«Отраженное» напряжение. Наш трансформатор, хоть и обратноходовый, но таки трансформатор, а значит коэффициент трансформации к нему так-же применим. Если на нашей вторичной обмотке во время протекания тока через выпрямительный диод, апряжение (например) 12.7В, то через соотношение количества витков это напряжение трансформируется в первичную обмотку (ведь магнитный поток «омывает» одновременно все обмотки).

Формула (7), немного хитрая, попробуем ее «раскрутить». Получим:

(7.1) Демонстрирует один очень важный момент, называемый в народе «равенство вольт*секундных интервалов». Возможно справедливость утверждения (7.1) не очевидна, или не сразу понятна, пока используем полученное с помощью (7) численное значение как есть, в его правомерности не сомневайтесь.

Надеюсь вы хорошо понимаете, что на обратном ходу, первичная обмотка, для постоянного напряжения, что на фильтрующем конденсаторе- просто кусок проволоки, т.е. если наш фильтрующий конденсатор все еще заряжен до 310В, то при разомкнутом силовом ключе, протекании тока через вторичную обмотку, постоянка попросту «проходит» через первичку и прикладывается к ключу, но вместе с ней, к ключу добавляется еще отраженное напряжение. И самое печальное, что оно суммируется с постоянкой. И это без учета выброса от индуктивности рассеяния, имейте это ввиду, в расчетке данное обстоятельство специально выделено красным шрифтом.

Тогда (8) показывает, какое напряжение будет приложено к силовому ключу на обратном ходу. Можно сразу прибавить к максимальному напряжению, на которое расчитан ключ, еще сверху вольт этак 200 и не ошибетесь. Макетирование покажет реальную амплитуду выброса напряжения порожденного индуктивностью рассеяния.

Теперь можем посчитать коэффициент трансформации трансформатора, например таким образом:

Я называю этот коэффициент трансформации «обратным», т.к. считается он задом наперед. Теперь классический коэффициент трансформации, который можно получить:

Далее посчитаем максимальное напряжение, которое будет приложено к выпрямительному диоду на прямом ходу преобразователя. Думаю вы хорошо понимаете, что оно будет складываться из напряжения на фильтрующем конденсаторе нагрузки, которое в рабочем режиме, можно считать постоянным, и трансформированного, через коэффициент трансформации, напряжения приложенного к первичной обмотке.

И не забываем, что выбросы от паразитных индуктивностей обмоток трансформатора, действуют и на диод в т.ч. Если речь идет о источниках с высокими выходными напряжениями, берите запас по напряжению минимум 200В. Для низковольтных, как минимум 1.5, и внимательно смотрите осциллографом на выпрямитель.

Из (12) получаем индуктивность вторичной обмотки трансформатора. Правило которое используется в формуле гласит, что «индуктивности обмоток трансформатора соотносятся как квадраты их витков», т.к. выражение можно представить как:

Далее посчитаем пиковый ток вторичной обмотки. Готовьтесь получить тут достаточно большие цифры, потому, что это «обратноход», и ток у него во «вторичке» — треугольный, и пиковое значение может быть ощутимо больше тока нагрузки.

Данная формула преобразуется точно также как и первая формула для ILPRpeak.

В (14) вычисляется действующее значение тока через вторичную обмотку трансформатора. Обяснить почему корень из (1-Q)/3 я не могу, вероятно это можно объяснить построив эпюры и прибегнув к геометрии. Тут же прикинем и действующее значение тока первичной обмотки.

Итак, индуктивности, токи, частоты посчитали. А как выбрать магнитопровод, спросите вы, как расчитать немагнитный зазор? Для начала мы его «прикинем», основываясь на своем жизненном опыте, а «загнав» его параметры в расчетку, поглядев посчитанную индукцию, можно выбрать другой магнитопровод. Вот захотелось мне источник мощностью 100Вт, с выходным напряжением 12В. Беру я «с потолка» магнитопровод типоразмера PQ2620.

Из его Datasheet выписываю Ae, предполагаемый зазор, и Коэффициент индуктивности для данного зазора (в даташитах Epcos, часто приводится таблица со стандартными зазорами для данного магнитопровода, и значениях Al и эквивалентной проницаемости). Если-же данных о коэфициенте Al для желаемого вами зазора, нет, придется его(зазор) изготовить, намотать пробные 100 витков, и посчитать по простой формуле Al=√(L/N^2), где L- измеренное значение индуктивности на сердечнике с пропиленным вами зазором, N — количество витков, что вы набросали(рекомендую мотать пробных 100 витков).

Объяснять что Такое Ae, G, и Al не буду, предполагая, что вы и сами знаете, зачем нужен зазор в магнитопроводе, и что такое Al. Также в расчетку можно вписать эквивалентную проницаемость сердечника с зазором, но она там не используется, чисто для красоты). В формуле (16) считаем необходимое количество витков.

Один из самых важных параметров для трансформатора- пиковое значение потока магнитной индукции.

Превышать значение 0,3 я категорически не рекомендую, а 0,4 это уже катастрофа. Так совпало, что данный магнитопровод вроде как вполне подходит под наши нужды. Индукция меньше 0,3Тл, так и хочется его заложить под наши нужды. К сожалению, расчетка не содержит формул для расчета заполненности окна магнитопровода медью, поэтому дать по ней окончательный вердикт — нельзя.

Если же индукция больше 0,3Тл, можем или выбрать более крупный магнитопровод, или увеличить зазор. Увеличив зазор мы получим уже другое значение Al и соотв. значение потока индукции.

Вообще, жизненный опыт показывает, что лучше не лезть в зазоры более 1.5мм., ибо им свойственны свои паразитные явления, такие как выпучивание линий магнитного поля, разогрев витков находящихся вблизи зазора, до температур, при которых им может настать «хана», короче от 0.2мм до 1.5мм. Меньше 0.2- температурное расширение материала может существенно изменить параметры трансформатора. Больше 1.5мм — написал выше.

Выбирая магнитопровод, а именно сравнивая различные модели, только по поперечному сечению керна (Ae), можно упустить из виду то, что длина магнитной линии тоже влияет на Al при том-же сечении, и зазоре.

Например магнитопровод PQ2620 имеет площадь сечения керна 122мм.кв, а ETD34 только 97мм.кв., но длины магнитных линий этих магнитопроводов различны, и через ETD34 можно так-же успешно прокачать 100Вт, как и через PQ2620. Я к тому, что берите и подставляйте в расчетку все феррриты, что находятся вблизи тех размеров, что, как вам кажется, могут прокачать желаемую мощность.
После расчета магнитной индукции в расчетке идет расчет количества витков вторичной обмотки и вспомогательной обмотки, на них специально останавливаться не буду, методология та-же, что и ранее.

Я надеюсь написанное выше будет вам полезно. Разработка ИИП это огромный пласт прикладной науки, и сия «расчетка» лишь маленький листик одного из талмудов, в котором собран весь опыт человечества, но она крайне полезна в прикладном плане, для разработки простеньких «флайбэков».

Моя «расчетка» (а на самом деле не моя, а унаследованная от идейного вдохновителя) довольно примитивный инструмент, поэтому я могу порекомендовать использовать сборник программ Владимира Денисенко, что легко находятся через поисковик. Тех, кто «рубит» в «силовой» теме, и имеет что сказать- вэлкам в коменты. Любая критика приветствуется!

Что непонятно — спрашивайте, я дополню статью более детальными объяснениями.

Правила расчета и намотки импульсного трансформатора своими руками

Измерительный

Импульсный преобразователь напряжения позволяет в современных реалиях обеспечивать человека многими автоматизированными бытовыми и производственными нуждами, питая их в составе стабильного высокопроизводительного ИИП. Расчет и проектирование импульсного трансформатора, создание новинок – важное направление электроники, как науки и отрасли.

Импульсные источники питания (ИИП) используются практически во всех сферах современной жизни человека. Сложная бытовая техника, мультимедийная электроника питает микросхемы встроенными импульсными источниками питания. Импульсный трансформатор – одна из основных частей любого блока питания инверторного или конверторного типа. Произвести расчет трансформатора импульсного напряжения совсем непросто, как покажется на первый взгляд.

Для качества и верности расчетов потребуются многие знания, математические формулы, нужны в этом и навыки работы с электронными компонентами и оборудованием. Для радиолюбителей, промышленных специалистов необходимы знания правильного расчета импульсных трансформаторов.

Эти устройства входят в состав высокопроизводительных, стабильных, малогабаритных ИИП. Уверенно применять теоретический опыт на практике для качества сборки подобных устройств продуктивное желание для любого техника. Обзор статьи призван помочь осветить нюансы таких расчетов, разобрать внутреннее устройство, понять принципы работы импульсного трансформатора. Как раз об этом подробные детали ниже.

Устройство и принцип работы

ИИП в отличии от громоздких менее эффективных блоков на основе линейных ферромагнитных питающих преобразователей напряжения по своим техническим характеристикам значительно опережают их.

Плюсы ИИП: компактные габариты, стабильное выходное напряжение, увеличенный срок эксплуатации в составе сложных электронных бытовых или промышленных устройств.

Войдя в двадцать первый век, импульсные электронные устройства уверенно шагают по пути прогрессивного развития. Сегодня ИИП установленны в корпусах бытовой технике и призводственных станках. Они питают компьютеры, телевизоры, многие кухонные принадлежности, имеющие программируемый модуль и функций. Ресурсы заводов и мощности фабрик сейчас не мыслят себя без станков, роботизированных систем конвейерной сборки с компьютерным электронным управлением.

Однако все высокоточные системы электроники могут стать обычным бесполезным куском железа, пластика, собранного в различные корпуса, если им не обеспечить питание стабильным напряжением компактным устройством в оптимальных габаритных размерах. С это функцией прекрасно справляются нынешние ИИП, немаловажным компонентом, которых является импульсный трансформатор напряжения.

Чтобы производить его правильный расчет для дальнейшей сборки стоит предварительно погрузится в сами основы устройства импульсного оборудования трансформации напряжения, понять его главный принцип работы.

Предназначение

Система электронных элементов в импульсном блоке питания представляет собой инверторную высокоточную структуру с входом, выпрямителем, фильтром синусоиды переменного тока, модулей управления в виде транзисторов, автогенераторов, транзисторные комбинации оптрона импульсных трансформаторов напряжения, при наличии гальванической развязки в BBG.

Импульсный трансформатор или ИТ предназначен для преобразования одной величины напряжения в другую, выполнять функции защиты от токов КЗ весь ИИТ, отсекать на выходе чрезмерно высокие величины напряжения, уменьшая нагрев корпуса модуля питания.

Но главной задачей импульсного трансформатора в системе ИИП является стабилизация величины выходного напряжения, позволяющая плавную, надежную и долгую работу любой электроники для дома или производства, без помех и сбоев.

Особенности

Существенная разница в структуре ИТ и обычного трансформатора в разнице намотки обмоток. Трансформатор импульсного типа имеет намотку двух катушек первичной и вторичной обмоток, связанных между собой магнитопроводом. От количества намотанных витков на этих обмоток зависит выходная мощность импульсного трансформатора.

Взаимодействуя с остальными электронными элементами, получая величины напряжения повышенной частоты от них его эффективность работы в составе блока питания увеличивается, плюс в этом случае возможна реализация трансформатора в гораздо меньших размерах нежели в линейных типах источников питания.

За счет высокой частоты сердечники ИТ изготавливают из ферромагнитных материалов, которые более эффективны в действиях трансформации величин электроэнергии, по сравнению с сердечниками, выполненными из обычной электротехнической стали.

Разновидности

Трансформаторы импульсного действия для всех источников питания того же типа делятся в зависимости от геометрии размещения катушек в своих сердечниках, форм сердечников и кратко делятся следующий модельный ряд:

• Стержневая форма;
• Броневая форма;
• Тороидальная форма;
• Бронестержневая компоновка.

Конструкция

В каждом сердечнике имеется уникально расположенные, основные части ИТ:

1. Контур замкнутого типа магнитопровода – выполняется прямоугольного или круглого сечения. Изготавливается во всех выше приведенных форма (кроме тороидальной) из трансформаторной стали холодного или горячего металлопроката. Материал для тороидальной формы выполняется из феррита;
2. Катушка электрическая –находится как правило внутри замкнутого контура, необходима создания для электромагнитных процессов ИТ, изготавливается из изолирующих материалов.

Конструктивно различается по нескольким типам:

• Спиральные – за счет малой силы намагничивания применение получили при сборке автотрансформаторов (другое название латров);
• Цилиндрические – конструкция катушек несет в себе средне низкое рассеивание импульсной индуктивности. Относится к простой конструкции;
• Конические – сильно уменьшается рассеивание индуктивности в таком формате катушек. Емкостное значение обмоток в этот момент слабо увеличивается. Изоляция слоев конических катушек прямо пропорциональна напряжению между первичными витками ИТ;
• Проводники для связной индуктивности – обеспечивают как правило индуктивную связь контура с катушкой.

Плюсы и минусы

Если добавить еще несколько слов касающихся форм катушек ИТ стоит заметить, что от конструкции их выполнения существует прямые зависимости важных параметров трансформатора в целом. От них варьируются его масса, габаритные размеры, мощностной номинал устройства. Так же влияние формы обмоточной намотки ИТ есть и в значениях напряжения на входе и выходе трансформатора. Проектируя и проводя расчет импульсного трансформатора в системе ИИП обязательно учитываются такие зависимости и ведут корректировки относительно их величин.

Существенный минус импульсных трансформаторов, понимая их принцип действия и проанализировав набор всех преимуществ, является знание о появлении в цепях трансформаторов высокочастотных помех, которые негативно отражаются на работе многих точных электронно-цифровых приборов. С ними ведется борьба многими методами, но в тех приборах, где это невозможно, установку импульсных трансформаторов не производят.

Обмотки

Чтобы простым языком озвучить принцип действия ИТ стоит рассмотреть преобразования величины напряжения, к примеру с 12В до 220В:

Первичная обмотка ИТ получает сигнал-импульс, прямоугольной формы (оперируя языком временных диаграмм трансформатора). После чего происходит повышение индуктивности в интервале времени, с последующим его спадом, через определенный лимитированный период. Вторичная обмотка ИТ в эти моменты получает определенный уровень напряжения с обратным выбросом.

Начинается появление перепадов индуктивности в ходе всех внутренних процессов элементов трансформатора импульсного типа. Импульсные перепады напряжения отражаются на вторичной обмотке ИТ, появляются на выходе оборудования – эта функция является главной для работы импульсного преобразователя напряжения.

Выбор типа магнитопровода

Чтобы сделать такой выбор необходимо остановится еще на нескольких понятиях в устройстве импульсных трансформаторов. Они бывают двух типов по преобразованию электрических величин:

• Инвертор двухтактного преобразования напряжения – когда импульсное устройство способно преобразовывать значения постоянной напряжения в величину переменного;
• Конвектор однотактового типа – принцип этого преобразователя позволяет трансформировать величины постоянного напряжения из одной в другую.

Исходя из этого деления внутренние схемы ИТ имеют три основных типа:

• Со средней точкой;
• Полу мостового соединения;
• Мостового соединения.

В первой и последней схемах (со средней точкой и мостовой схеме) ИТ нагружается на выпрямитель, подмагничивание сердечника у него отсутствует лишь в идеальном состоянии.

В полу мостовой схеме соединения первичная обмотка ИТ подключена через емкости – нет величины тока на ней в номинальном режиме работы схемы и любое подмагничивание сердечника отсутствует.

Обладая такой информацией, к тому учитывая, что сердечник преобразователя работает в нормальных условиях внутри сильных магнитных полей, при большой величине магнитной индукции для магнитопровода выбирается материал вида марганцево-цинковых ферритов.

Внимание! Выбор порошковых магнитных материалов для изготовления магнитопровода делать нельзя. Эти материалы обладают низкой магнитной проницаемостью, к тому же сильно удорожают всю конструкцию изделия.

Далее следует процесс определения типа магнитопровода для импульсного трансформатора. Наиболее приемлемым типом в таком выборе признан Ш-образный сердечник броневой конструкции. Его свойства позволяют использовать чашеобразную конструкцию сердечника практически в любом блоке питания импульсного типа (ИБП).

Достоинства и недостатки

Преобразователи инверторного типа двухтактного типа могут быть воссозданы на практически любом типе магнитопровода. Применяют к ним стержневые конструкции, броневые формы, но лучшими показателями обладает конструкция магнитопровода кольцевого торроидного типа. Достоинства в таком конструктивном исполнении получаются в виде:

• Минимума рассеивания магнитной индукции,
• Отсутствия создания помех,
• Малой величины выходного сопротивления.
• Экономичной составляющей.

Недостатки типа присутствуют хоть и в малом объеме относительно плюсов конструкции, но проявляются в виде:

• Трудоемкости проведения процесса намотки обмоток на кольцевой магнитопровод;
• Необходимость выполнения изоляции сердечника.

Как правильно выбрать

Выбор кольцевых магнитопроводов по техническим справочникам проходит из идентификации на практике трех значений размеров магнитопровода и их сравнения с опубликованными в литературе:

• Внешний диаметр магнитопровода;
• Высота кольца;
• Внутренний диаметр магнитопровода.

Однотактные конвекторы – имеют оптимальный выбор в виде разъемных типов магнитопровода или же стержневой, броневой конструкции.

Получение исходных данных для изготовления

Это контрольный и ответственный процесс для расчета и дальнейшего производства импульсного трансформатора для включения его в состав ИБП.

Насколько верные будут исходные данные и их расчет – настолько правильно сделан будет фактически сам преобразователь.

Рассмотрение исходников, их подбор и расчет для понимания всего процесса и его систематики разбирается на примере все того же кольцевого двухтактного инвертора. Для него необходимо иметь данные:

• Значение напряжения питания ИТ – берется как правило не его номинал, а величина с запасом +10%;
• Допуск на повышение напряжения питания – параметр рассчитывается исходя из величины питающего напряжения;
• Индукция насыщения магнитопровода – берется из технической литературе согласно параметрам тороида трансформатора, его параметрическим свойствам и типу магнитопровода;
• Оптимум магнитной проницаемости сердечника – расчетом через формулы или из справочной литературы по тому же принципу;
• Частота преобразования;
• Значение напряжение подводимого к нагрузке на выходе ИТ;
• Номинальное значение потребляемого подключаемой к нагрузке тока;
• Габаритные размеры в трех плоскостях – внешний и внутренний диаметр сердечника, высота кольца сердечника.

При расчете импульсного преобразователя часть данных известно, исходя из практической информации оборудования, на котором он будет использоваться, часть получается справочным путем, часть через справочные формулы простым расчетом. К тому же компьютер и интернет сейчас предлагают различный программный софт, в котором возможно оптимально, удобно и быстро произвести нужные и все расчеты по трансформатору целиком.

Виды сердечников

Как уже отмечалось в части обзора по устройству и принципу действия импульсного трансформатора, их сердечники по своей форме разнообразны. Стоит шире рассмотреть каждый из них. Описать особенности, плюсы и недостатки, сферы применения. Это позволит удобнее взглянуть на расчет ИТ в целом.

Стержневой

ИТ в таком конструктивном исполнении обмотками как бы охватывает магнитопровод. Эта форма позволяет легко изолировать изделие. Эксплуатация и обслуживание обмоток в простом формате, конструктивно обеспечивается процесс хорошего естественного охлаждения обмоток и сердечника. Но при всех положительных свойствах подобное строение магнитопровода лишь усложняет конструктив самого трансформатора импульсного типа. Широкого применения за счет чего не имеет на практике, но применимы для трансформаторов большей или средней мощности.

Броневой

Магнитопровод охватывается обмотками, образуя так называемую схожесть с «броней». Модель конструктивно популярна для установки в состав маломощных устройств и приборов минимум мощностных характеристик в тоже время дает небольшое количество проводников в намотке обмоток трансформатора. Относительно стержневой конструкции трансформаторы с «броневыми» магнитопроводами используются чаще. А вот если нужен элемент преобразования напряжения с малым выходом помех – такой магнитопровод не сможет соответствовать нужным требованиям в этом процессе.

Тороидальный

С первых строк покажется – эффективно выгодный и приоритетный конструктив магнитопровода импульсного преобразователя в связи с малой стоимостью материала, обеспечению высоких выходных параметров по току и напряжению, степени их стабильности и уровню фильтрации, отсутствию потерь мощности, малой долей рассеивания индукции, однако все перевешивает объем трудозатрат и сложности при намотке обмоток такой конструкции магнитопровода, необходимости изоляции обмоток. Широкого распространения в современности получить не смогли. Сердечники выполняют из феррита в большинстве случаев.

Бронестержневой

Среднее образование по конструкции магнитопровода между вышеописанными типами. Свойства и характеристики такого конструктива сердечника ИТ в двойном формате тоже включаются в бронестержневую форму. По своему гибридному конструктивному исполнению, включая весь набор характеристик и возможностей двух форм сердечников – бронестержневой формат довольно эффективен и востребован при производстве преобразователей.

Основной сегмент теории о импульсных источниках питания в общем, и подробности по импульсным трансформаторам в их составе озвучен. Теперь стоит перейти к нескольким ответам на вопросы при выполнении расчетов, проектировании ИТ на практике.

Как правильно выбрать ферритовый кольцевой сердечник

Рассчитать правильно, быстро и качественно кольцевой сердечник на феррите в ручном режиме конечно же возможно. Для этого понадобится иметь под рукой несколько электротехнических справочников, литературу по материалам и их свойствам, калькулятор, исходные данные расчетной установки.

Правильный, удобный расчет в бытовых условиях и на уровне проектных институтов по выбору ферритовых кольцевых сердечников производят автоматизировано при помощи специальных расчетных программ (в качестве примера название одного из обеспечения звучит «Coil32»). Их функционал позволяет вести основные исходные данные и получить полный перечень параметров по импульсным преобразователям, включая любые формы магнитопроводов.

Шаги в проектно-ручном расчете по выбору ферритного кольца следующие:

• Для получения данных по выбору ферритового кольца необходимо на руках иметь данные – магнитной проницаемости «М_прониц», длину средней линии «L_сред», площадь сечения «S_сеч», индукцию насыщения «Б_насыщ». Если первые параметрические данные легко получаются из исходного устройства или расчетов ранее, то магнитная индукция насыщения феррита, уточняя его марку материала, определяется техническом справочнике;
• Выясняется необходимой индуктивностью кольцевого ИТ – «L_индук», исходя из таблиц справочников и расчетов формул;
• Определяется из исходных материалов потребителя, или по части параметрам, руководствуясь формулами законов Ома определим токовое выходное значение – «I_{потреб»,} к нему добавляем, как минимум 15% запас по величине выходного тока;
• Текущим шагом по формулам из нормативных документов, используя величину проницаемости, среднюю длину, сечение, количество витков и потребляемый ток производится расчет индукции внутри феррита;
• Анализ полученного значения феррита путем сравнения с формулой значения
• 0,8*«Б_насыщ» – исходя из следующей оценки расчета: если расчетное значение больше, чем это произведение индукции насыщения и корректирующего коэффициента – вывод:
• взятый диаметр внутреннего кольца выбран неправильно – начинается подбор кольца большего размера и повторения расчетных значений и аналитики;
• если значение не превышает произведения – то выбор совершен правильно и можно двигаться в расчетах далее.

Даже в таких условиях ручной человеческий труд способен сделать ошибку, которая будет после слишком трудоемкой для устранения.

Как рассчитать число витков первичной обмотки

Провести опытный расчет по числу витков первичной обмотки несколько проще с учетом наличия справочных и части уже посчитанных данных.

Расчет числа витков производится все того кольцевого импульсного преобразователя. Для этого необходимо обратится к соотношению значений:

• Vвитки1 – искомое число витков первичной обмотки ИТ, в штуках;
• 0,25 * 10 4 – числовой коэффициент для правильности расчета и единиц измерения расчетной величины;
• U_вх1 – номинальное значение входного напряжения ИТ, в вольтах с учетом 15% запаса по величине;
• f – подаваемая внутри ИТ частота импульсов, измеряется в Герцах;
• Б_насыщ – магнитная индукция насыщения сердечника;
• S_{сеч –} значение сечения используемых в первичной обмотки ИТ в квадратных сантиметрах.

Проведя мониторинг указанных в расчетной формуле значений, выясняется наличие всех в практическом проекте расчета витков обмотки входа ИТ. После полученного минимального количества витков первичной обмотки трансформатора, зафиксировав его значение двигаются дальше в расчетной работе.

Но через существующее сейчас программное обеспечение, позволяющее оптимизировать и упростить описанный выше расчетный труд гораздо эффективнее и качественнее при проекте расчете и производстве тороидального импульсного преобразователя.

Как рассчитать диаметр провода для первичных и вторичных обмоток

Метод расчета основывается на вычислении значений напряжения, тока, максимальной мощности первичной и вторичной обмотки по справочным формулам и используя техническую справочную литературу:

1 этап

• Определяется ток первичной обмотки Iob1 по формуле отношения максимальной Pmax мощности к значению эффективного напряжения на первичной стороне ИТ Ueff:

По той же формуле рассчитывается значения тока вторичной обмотки для определения диаметров проводников обоих обмоток. Но если с мощностью и током обмоток ИТ все понятно, то что такое эффективное напряжение и, где взять его значение становится не сразу ясно.

2 этап

• Вторым шагом расчета диаметра высчитываются эффективные напряжения обоих обмоток:

• Ueff, Ueff2 – требуемое для расчета диаметра эффективное напряжение обмоток первичной и вторичной;
• Uном, Uном2 – максимальные значение напряжения обмоток;
• 0,707 – числовой расчетный коэффициент для правильности расчета;

3 этап

• Третий шаг, он же заключительный для расчета диаметров проводников обмоток импульсных трансформаторов проводив по формулам:

Ну в этих формулах уже все прозрачно и просто.

• Единственное значение Jа – ранее не было озвучено или известно. Это значение плотности тока в А/мм 2 . Его значение зависимо от потребляемой мощности расчетного ИТ, других опытных параметров оборудования, но чтобы не погружаться в физические процессы трансформации энерго агрегата, значение плотности опубликовано в справочной литературе вместе с номиналами мощности.
• Dp2 – расчетный диаметр проводников обмоток;
• I1 – расчетный ток обмоток по максимальному значению

Числовые коэффициенты и квадратные корни в формуле после подстановки значений дают величины диаметром проводников по первичные и вторичные обмотки импульсного преобразователя.

Как правильно намотать импульсный трансформатор своими руками

Если есть желание сделать своими руками импульсный трансформатор, а может быть и весь импульсный источник питания, лучше всего провести тренировку по этой затеи попробовав правильно намотать обмотку трансформатора с кольцевым сердечником.

Если с помощью электротехнической компьютерной программы в несколько минут удается получить точные значения величин, параметров, позволяющих правильно собрать импульсное преобразующее и питающее оборудования, то возможность проведения расчетов в ручную, по формулам и техническим справочникам увеличивает время получения результата значительно, плюс в момент расчета, самостоятельного получения информации электронного оборудования с большой вероятностью может привезти к совершению мелкой неточности или ошибки, которая в итоге приведет к полной неработоспособности ИИП. Получается автоматизация подобных процессов делает их проще, точнее, а главное исключает погрешность человеческого фактора в электронике.

К намотке обмоток импульсного трансформатора своими руками не стоит подходить легкомысленно. В этом процессе нет ничего сложного, но в нем нельзя допустить неравномерного распределения проводников обмотки, что в результате приведет или к снижению мощностных характеристик трансформатора, или к его полному выходу из строя. Прежде, чем начать проводить намотку стоит ознакомится с теорией намотки провода, технологии расчета и выбора материалов обмотки и сердечника, а после учитывать их для всех типов сердечников ИТ.

Простая намотка

Простая намотка обмоток импульсного трансформатора в бытовых условиях своими руками имеет название «виток-к-витку». Ее вполне можно применять для двух обмоточных (первичная и вторичная обмотка в одном варианте) трансформаторов с ферритным кольцевым, стержневым сердечником. В эти устройствах явно выделена первичная обмотка, а вторичная не имеет средней точки, исполнена в единственном экземпляре, без подключения дополнительных устройств.

Сложные модели

Более сложные модели преобразователей имеют подключение выпрямительных мостов к контактам вторичной обмотки или две вторичные обмотки, среднюю точку в сердечниках таких устройств и требуют к себе более сложной технологии бытовой намотки провода обмоток.

Характеристика процесса

Проводить намотку провода обмоток своими руками не так уж и сложно, но потребует большого терпения, усидчивости, настойчивости и немалой аккуратности. Прежде чем уверенно наматывать проводники первичной и вторичной обмоток ИТ потребуется несколько длительных по времени практических тренировок наматывания провода на корпус сердечника.

Ведь процесс намотки сопровождается не только необходимостью поддерживания техники наматывания проводника, но и контролем значения количества витков в реальной намотке обмоток ИТ, изолирование магнитопровода от проводников обмотки, соблюдение умеренного давления провода на материал изоляции без допуска ее прорыва и повреждений.

Самым лучшим практическим опытом, который позволяет уверенно производить намотку проводника обмоток ИТ своими руками – это проектирование, расчет и сборка кольцевых импульсных трансформаторов.

Сложность выполнения намотки провода обмотки тороидального трансформатора обеспечивает получение уверенного навыка намоточного процесса хотя бы в один слой и виток к витку. Значение количества намоточных витков на практике не должно превышать расчетную величину витков обмотки, полученное по формуле из справочной информации. Однако для бытового ИТ и намотки его проводников обмоток допускается выдерживать дельту в этих величинах до 20%, которая позволяет уверенно вести процесс создания импульсного устройства радиолюбителям в бытовых условиях, работающего корректно в составе источника питания.

На ферритное кольцо импульсного трансформатора перед наматыванием провода обмотки устанавливается изоляционное кольцо, тем самым предотвращающее пробой электричества между первичной и вторичной обмотками и магнитопроводом устройства.

Необходимые материалы

В качестве материалов изоляции сердечников при намотке провода в быту рекомендуется использовать:

• Пленку из лавсана, электротехнический картон, плотную бумагу;
• Многие стеклоткани, лакоткань.

Если мощностные параметры ИТ диктуют исполнение проводка обмотки в диаметре не меньше 2 миллиметров и выше, для его изоляции от сердечника преобразователя успешно применяют киперную ленту.

Важно! Процесс намотки провода обмоток импульсного кольцевого трансформатора своими руками необходимо вести так, чтобы каждый последующий намоточный виток ложился внахлест предыдущего с наружи сердечника.

Многие радиолюбители-самоделкины любят использовать в виде изоляционного материала сантехническую ФУМ ленту (фторопластовый материал). Свойства диэлектрика у нее хорошие бесспорно, стоимость экономически оправдана больше, чем у ленты киперного типа, но один недостаток такого материала может целиком весь процесс намотки проводника обмотки трансформатора – дело в том, что при большим мощностях, с повышенным диаметром, в намоточном состоянии проводник может испытывать сильное давление на фум-изоляцию и повредить ее на отдельных участках. Избежать такого позволит подкладка между лентой фторопласта и магнитопроводом электрокартона или плотной бумаги.

Намотка проводников обмотки может производится на специальных самодельных станках или с применением непрофессионального инвентаря, который тем не менее способен ускорить и упростить процесс намотки обмоток. Такой инструмент зовется «кольцо-крючок». Изготавливается ручным методом из жесткой стальной проволоки, с одного конца которого сгибается полукольцо крюк, а другой кончик несколько заостряется.

Бытовая намотка двух полярных инверторов, где вторичные обмотки, имеют среднюю точку в конструктивном исполнении, увеличенную сложность расчета и изготовления в кустарных условиях рассмотрению в этом обзоре не будем. Это тема отдельной статьи.

Как рассчитать Ш – образный сердечник

Сердечник импульсного трансформатора Ш-образной формы, аналогично П-образному представляет собой разборную конструкцию из ферромагнитной спрессованной, шихтованной стали. Видовое разнообразие делит Ш-образную конструкцию магнитопровода по типу сечения его средней точки:

С прямоугольным сечением

Сердечники прямоугольной формы используются в трансформаторах импульсного напряжения высокочастотного типа – пределы рабочей частоты в них достигают значения 100 кГц

Минимум витков проводника, большое полное сопротивление в обмотке преобразователя этого типа, действуют совокупно на уменьшение потери мощности устройства и индуктивности рассеяния.

Прямоугольный магнитопровод имеет в составе конструкции две Ш-образные части и одну замыкающую часть – пластину. Для расчета величин прямоугольного трансформатора можно пойти долгим лабораторно-математическим методом, выясняя величины сечения всех трех частей магнитопровода, линии магнитной длины, выполняя расчет индуктивности катушки сердечника из формул технических справочников, а возможно использовать программные сервисы расчетов, ранее созданные компетентными техническими специалистами и позволяющими по трех габаритным размерам и виду сердечника трансформатора произвести расчеты остальных величин.

Кто не доверяет высоким технологиям программного обеспечения может идти любой дорогой в этом формате, но ручной расчет трудоемок, продолжителен и подвержен мелким возможным ошибкам, которые могут испортить основы расчета импульсных трансформаторов.

А применяя программу расчета преобразователей импульсного напряжения в процессах проектного расчета ИТ сократится время математического расчета, оптимизируется выбор материалов, других данных, улучшится общий тонус всех проектных работ в этой теме. К тому же использование нескольких аналогичных программ под один исходник позволит убедится в верности величин расчетов магнитопровода.

С круговым сечением

Такое формирование центрального керна магнитопровода определяет его конструктив в виде двух одинаковых половинок сердечника, с одинаковой средней точкой цилиндрической формации. Применение этой формы и сечения в ИИП в качестве питания промышленных приборов релейной защиты и автоматики, строчных трансформаторов с пределами частот от 1 до 100 кГц. Тоже являются высокочастотными устройствами преобразования энергии.

Правильный и оптимальный расчет Ш-образного сердечника как круглого сечения, так и любого другого, но Ш-образной формы состоит в деление силовой линии магнитного поля на линейные и угловые участки с размерами в сантиметрах. Далее расчеты идут врозь:

• Ручной расчет по полученным данным или добытым данным путем проведения замеров, расчетов по формулам, сравнением с значениями из справочников, аналитика разночтений и применение вывода в зависимости от результата;

• Автоматизированный расчет типа сердечника, зная три величины исходных данных преобразователя. Программа качается или устанавливается на ПК или ноутбук и в оффлайн режиме помогает провести методику тестов и испытаний электроустановок в значительно короткие сроки, аналитику выслать тут же с предварительным выводом действий. Один софт может вызывать подозрения сказочности программы, но Расчетная программа импульсных источников питания/Трансформаторов и другое любой фирмы или производителя, совместно с парой аналогов таких расчетов дадут понимание о правильности действий, решений, выводов.

То есть теперь возможно легко и просто рассчитать любой Ш-образный сердечник, зная габаритные типа-размеры сердечников по длине, ширине и высоте, какие объекты он будет запитывать – резонно так или иначе задается в момент обсуждения и покупки оборудования.

Оптимизированные расчеты улучшать работу проектных расчетных отделов, без потери качества продаж для них, условившись – софт сторонний, и точный автор разработки его неизвестен.

Как перемотать готовый высоковольтный трансформатор

Устройство высоковольтного преобразования класса напряжения импульсного типа по своему устройству, принципу работы недалеко ушло от силового трансформатора напряжения, который используется в энерго системах в качестве понижающего узла величины напряжения в конкретно установленных номиналов в зависимости от территориальных условий.

Высоковольтный трансформатор (ВВ) производит работу по преобразованию высоковольтного напряжения в низковольтное, с целью обеспечения электропитанием всех зафиксированных документально бытовых и производственных объектов. Режимы работы ВВ трансформатора импульсного напряжения при необходимости выполняет функции преобразования энергии в обратной последовательности (из НН сделать ВН), штатно обеспечивая питание электроприборам и механизмам. Универсальность трансформации положительный момент в работе агрегата в целом.

Его уникальным фактором становится величина объема намотанного проводника на первичной обмотке, и обратная конструкция обмоток если требуется обратное преобразование напряжения из НН сделать ВН.

Деление ВВ устройств преобразования

Оно проводится по:

• Количеству фаз в целом по электроустановке (220В и 380В);
• Допуску погрешностей установленного норматива для всех актов и официальных ведений рекламаций;
• Основному способу установки (внутренний или наружный монтаж);
• Количеству обмоток внутри ВВ преобразователя (2-х/3 -х/ 4-х);
• Основное назначение устройства трансформации (общего назначения / специального назначения).

ВВ трансформаторы специального назначения нашли широкое применение во многих популярных бытовых приборах, вида:

• Телевизоры и радиоприемники стационарно-бытового типа;
• Мобильная связь автономного типа, мощных радиостанций;
• Приборы быта (управляемые системы освещения и прочий быт)

Технический анализ характеристик ВВ трансформаторов представлены в значении маломощные электротехнические устройства, промышленной частоты в 50%, свойств установки.

Изоляция частей трансформатора высоковольтного напряжения обеспечивается компаундной заливкой эпоксидной смолой. В зависимости от того, где находит применение такое преобразовательное устройство высокого напряжения, у него меняется количество намоток проводников первичной и вторичной обмоток.

Узнав краткую информацию о новом импульсном трансформаторе высоковольтного класса напряжения, стоит вернутся к основному вопросу обсуждения этого устройства – возможно ли перемотать готовый трансформатор ВВ, как мотать проводники обмоток такого ИТ правильно и безопасно, и существует ли определенная методика таких действий. Все части вопроса в лаконичных шагах.

Предварительная подготовка

Прежде, чем приступить к решению задачи по перемотки обмоток трансформатора необходимо:

Провести измерение величины напряжения в сети 220 В, зафиксировать полученное значение из замера в рабочую тетрадь, далее произвести замер напряжения вторичных обмоток преобразовательного устройства. Полученные величины напряжения необходимы для мониторинга дельты между этими значениями, в связи с их прямой взаимосвязью. При низком напряжении основной сети будут происходить определенные процессы понижения величины напряжения вторичных обмоток, что в новом перемотанного устройстве сможет привести к необходимости усложнения его схемы, удорожания электрооборудования, повышения трудоемкости.

Следующим шагом выступает принятие мер техники безопасности и защиты электросети и ее электропотребителей разного рода в зоне проведения перемотки обмоток трансформатора ВВ. Необходимо обеспечить наличие между сетевой вилкой и трансформирующим устройством некоего предохранителя в разрыве цепи питания. Простейшим устройством защиты от возможного возникновения самого опасного режима аварии – короткого замыкания, бросок величины тока которого в доли секунд может вывести из строя дорогостоящие энерго потребителей, может стать обычная лампочка на напряжение 70-90 вольт.

Лампочку накаливания необходимо подключить в разрыв провода цепи сетевой вилки и трансформатора ВВ. В случае, если после перемотки обмоток была допущена ошибка в коммутации обмоток энерго узла импульсного типа, при его подключении в бытовую сеть лампочка, играющая роль предохранителя, весь удар от КЗ будет принимать на себя, тем самым защитив остальные электроприемник (ЭП). В случае правильности сборки и перемотки ИТ – лампочка просто пропустить через свою цепь энергию от сети к трансформатору. Если перемотка обмоток преобразователя ВВ ведется на уровне производства – реализация предохранителя проходит в более профессиональном, лабораторно-стендовом подключении к защищенной сети тестируемого оборудования.

Проверка обмотки

Проверка наличия намотки объемов проводника на первичной обмотке оборудования от заводов производителей. С целью экономической выгоды, экономии затраченных средств, поставщик преобразующего энерго узла часто уменьшает нормативное количество витков провода на первичной обмотке трансформатора. Такой подход повышает индукцию сердечника устройства, перенасыщает его магнитным полем, что вызывает побочные эффекты при номинальной эксплуатации преобразователя.

Гудение, сильный нагрев элементов корпуса и внутренних узлов, большой ток холостого хода оказывают отрицательное влияние на величину выходного напряжения трансформатора, снижает качество его функционала. Отсюда при выполнении перемотки следует устранять нехватку провода на первичной обмотке устройства, обеспечив ему оптимальные условия работы.

Изолирование

В обязательном порядке после перемотки обмоток, в момент сборки трансформатора необходимо изолировать диэлектриками все стяжные и крепежные элементы энерго агрегата ВВ от пластин магнитопровода. Необходимость выполнения обусловлена исключением пробоя между двумя токопроводящими частями оборудования. В формате этих же действий стоит провести плотную сборку пластин сердечника, чтобы не допустить зазоров между ними. При неправильных действия разборки и сборки пластин и частей магнитопровода возникает главный негатив – сбой работы конечного электропотребителя, подвергают опасности человеческие жизни персонала.

Разборка и сборка

Важным и ответственным действием является сам процесс перемотки обмотки готового трансформатора высокого напряжения. Стоит обращать повышенное внимание на текущий уровень заполненности магнитопровода витками провода на обмотке. Как можно точно оценить количество витков на обмотках, диаметр и сечение проводника. От этих данных подбирать магнитопровод для перемотки таким образом, чтобы все витки со старого сердечника поместились на новом.

Разборка и сборка корпуса оборудования и его сердечника тоже должна проходить безопасно, плавно и аккуратно. Если разбор магнитопровода не сможет за собой повлечь негативные последствия дальнейшей работы энерго установки, то сборка нового магнитопровода внесут серьезные негативные изменения. Проведение непрофессиональной сборки трансформатора, или без ответственные действия по техники безопасности в этот момент прежде всего ставят под угрозу человеческую жизнь. К тому же в таких режимах возможно увеличение вихревых токов в элементах трансформатора высокого напряжения, рост тока холостого хода оборудования, а он прямо пропорционален потери мощности на выходе трансформатора ВВ. Итого очевиден – неподготовленные, неправильные

Витки

Количество витков вторичной обмотки узнается, не разбирая трансформатор. Такой процесс меняет свой функционал от типа сердечника. В тороидальном трансформаторе посчитать количество витков наиболее просто. Изолированный проводник наматывается на кольцо тороида поверх всех обмоток в несколько витков, подключается питание и с помощью мультиметра производится замер величины напряжения этих витков. Значение витков на вольт получаются математическим делением и сведением числа витков к 1 вольту.

После значение витков на единицу вольта умножается на требуемое напряжение вторичной обмотки – получается искомое количество витков для перемотки на новый сердечник. Ш-образный сердечник аналогичный вариант подсчета сможет применить, если будет иметь зазор между сердечником и катушкой. В него и после вокруг катушки обматывается изолированный провод и в том же формате считается значение.

Проведя дополнительную работу с определением, точным определением первичной обмотки, получению величины ее напряжения, обнаружение контактных выводов на перематываемых трансформаторах, проведя весь процесс подготовки, разборки, перемотки, обратной сборки элементов вторичной обмотки можно получить навык подбора трансформатора в любых технических параметрах и единицах.

Простой онлайн-калькулятор

Расчеты многих значений и величин импульсных трансформаторов, их анализ, использование величин в расчетных формулах, получении выводов в ручных режимах носит трудоемкий характер выполнения. Особенно, если это уже не самообучения с интересом и энтузиазмом выполнения нужных процессов, а необходимая рутинная работа в большом количестве – стоит быстро задуматься над решением проблемы.

Таким решением многие публичные площадки по электронике и радиолюбительским собраниям выбрали самый простой, но автоматически выдающий значения заданных параметров калькулятор онлайн. Принцип его действия в самой простоте и предоставлении максимально быстро нужных данных.

В сети оффлайн программ электротехнического типа очень много, онлайн формата в свободном доступе поменьше, но оптимальный по скорости отклика, простоте задания исходных данных, снятия полученных величин, калькулятор онлайн доступа.

Доступ к авто расчетам идет по ссылкам в онлайн режиме, как и получение данных, а примерный внешний вид выглядит следующим образом:

Визуально это табличная программа со всеми подобранными величинами ИТ помогающая быстро и качественно провести расчет импульсного трансформатора. Как один из примеров для понимания сетевого сервиса работы является один из многочисленных онлайн калькуляторов расчета преобразователей напряжения: «Простой калькулятор онлайн».

Дополнительные формулы параметров

Иногда расчет импульсного трансформатора необходимо, а основные значения и величины для этого недоступны по множеству причин, большая из которых не подлежит восстановлению. В таком случае рассчитать ИТ возможно если задействовать значения дополнительных параметров преобразователя в текущий расчет. Рассмотреть хочется два самых популярных дополнительных параметра с расчетными формулами:

Габаритная мощность

Понятие заключается в определении электрической величины мощности импульсного трансформатора из значений габаритных параметров. Узнать мощность ИТ достаточно просто по величине сечения магнитопровода. Даже если все главные параметры получить не удается в силу невозможности проведения измерений, отсутствия технической документации и прочих проблем, но при этом знать величину мощности трансформатора необходимо – обращаются к значениям и размерам сечения сердечника ИТ. Ошибочная погрешность в определении данных электрической мощности достигает уровня 55%.

Процент очень высокий, спору нет, но в критических случаях и такие данные смогут оказать действенный результат на продолжение расчета и проектирования, сборки импульсного энерго агрегата. Погрешность велика еще потому что мощность преобразователя зависима от громадного количества электротехнических, магнитных, размерных и других величин и параметров: сечение провода намотки, окно сердечника, индуктивность магнитопровода, токи номинальные, токи холостого хода, величина напряжение сетевого и вторичной обмотки, конструктивная разница сердечников разных типов, материалы магнитопроводов, помехи, вихревые токи. Перечисление всех параметров займет большое количество времени, которое не стоит того.

Снижение величины габаритной мощности происходит с уменьшением величины стоимости самого трансформатора. Следовательно основная формула для определения величины мощности по минимальным параметрам магнитопровода строится как отношение:

Pгаб = Bx*S 2 / 1.69

P_габ – величина габаритной мощности оборудования;

B_x – индукция, в Тесла – справочное значение;

S 2 – сечение магнитопровода в см2;

1.69 – расчетная величина коэффициента.

Значение индукции всегда можно найти в справочной литературе, зная материал магнитопровода или несколько других параметров, сечение замеряется от реального на руках трансформатора. Пользуясь этой формулой, можно искать значения и параметры в обратном порядке. К примеру, если мощность, наоборот известна, и нет полного понимания о магнитопроводе, его частях и прочих моментах, воспользовавшись школьной программой проводят расчет величины сечения магнитопровода.

Эффективный ток

Электроэнергетика энергоэффективным током называет – установленное действующее значение переменного тока.

Преобразователь напряжения импульсного типа в своем составе имеет первичную и вторичную обмотку. Ведя диалог о величине эффективного тока этих обмоток, стоит начать с понимания формул номинального тока каждой из них:

I1 = P2 / U1

I2 = P2 / U2

• I1 – значение тока первичной обмотки ИТ, А
• I2 – значение тока вторичной обмотки ИТ, А
• P2 –значение мощности вторичной обмотки в момент прохождения импульса, Вт
• U2 – значение напряжения вторичной обмотки в момент прохождения импульса, В
• U1 – значение напряжения вторичной обмотки в момент прохождения импульса, В

Выходит, что значения тока определяются исходя из условия, что потери в проводниках этих обмоток при протекании через них коротких импульсов тока обусловлены не только значением обмоточного сопротивления, но и подвержены эффекту слияния токов наводки в них. Такие значения токов в обмотках ИТ называются эффективными значениями тока или действующими номиналами в них. Токи первичной и вторичной обмотки в момент импульса равны между собой.

Для первичной и вторичной обмотки

С учетом вышесказанного, а также оценив, рассмотрев многие процессы импульсного источника питания, эффективные токи первичной и вторичной обмотки ИТ могут быть представлены в расчет следующей формулой:

IЭФ1 = I1* √ (F1* ty * KH * KП1)

IЭФ2 = I2* √ (F1* ty * KH * KП2)

• I_ЭФ1, I_ЭФ2 – значения эффективного тока первичной и вторичной обмотки трансформатора;
• I_1, I₂ – значения тока первичной, вторичной обмотки, А;
• F_{1 –} частота с которой движется импульс, Гц;
• t_y – время прохождения импульса, с;
• K_H– коэффициент токовых наводок в проводниках обмоток для прямоугольных импульсов. Для ИТ равен ₌ 2,8;
• K_П1 и K_П2 – коэффициенты эффекта слияния токов наводки в проводниках первичной и вторичной обмотки;

Для первичной обмотки значение 1,6;

Для вторичной обмотки значение 1,4.

Ток импульса и накала

Есть случаи, когда вторичная обмотка ИТ пропускает через себя одновременно и величину импульсного тока, и ток накала. Сумма токов импульса и накала во вторичной обмотке в таком случае рассчитывается по формуле уравнению:

IЭФОБЩ=√I 2 ЭФ1 + I 2 ЭФ2

Объемный обзор коснулся многих разделов импульсных преобразователей и источников питания, стараясь рассказать не только о расчете трансформирующих устройств, а смог осветить доступным языком устройство, основные принципы работы электронного оборудования, коснулся частично проектирования, создания и сборки блоков питания импульсного типа.

Целью статьи были не сухие формулы и цифры, а передача содержательного, структурированного массива информации из электронной науки.