Расчет трансформатора на Ш — образном ферритовом сердечнике. Расчет импульсного трансформатора блока питания Импульсный трансформатор количество витков без формулы

Во многом зависит от того, насколько правильно выполнен . Небольшое отклонение его параметров от оптимальных для конкретного источника питания приводит к снижению КПД и ухудшению характеристик.

Порядок расчета импульсного трансформатора

Рисп = 1,3 Рн (Рн — мощность, потребляемая нагрузкой). Далее, задавшись габаритной мощностью Ргаб, которая должная удовлетворять условию Ргаб ≥ Рисп, необходимо подобрать подходящий тороидальный ферритовый магнитопровод. Параметры магнитопровода связаны с Ргаб соотношением Ргаб = ScS0fBmax/150, Вт.

Здесь f — частота преобразования напряжения, Гц; Sc = (D-d)h/2 — площадь сечения магнитопровода, см2 (D и d — соответственно наружный и внутренний диаметры, h — высота кольца, см); S0 = p d2/4 — площадь окна магнитопровода, см2; Bmax — максимальное значение индукции (в тесла), которое зависит от марки феррита и может быть определено по справочнику, содержащему сведения о ферромагнитных материалах.

После этого зная напряжение на первичной обмотке трансформатора U1, находят число витков w1=0,25x104U1/fBmaxSc.

Для преобразователя (см. рисунок) U1 = Uпит/2- Uкэ нас, где Uпит — напряжение питания преобразователя, а Uкэ нас — напряжение насыщения коллектор — эмиттер транзисторов VT1, VT2.

Рассчитанное значение w1 нужно округлить в большую сторону (во избежание насыщения магнитопровода).

Затем находят число витков вторичной обмотки трансформатора: w2 = w1U2/U1 и диаметр провода: d2 = 0,6√I2 (U2 и I2 — соответственно напряжение и ток вторичной обмотки).

Теперь для закрепления пройденного материала рассмотрим расчет трансформатора для на конкретном примере.

Рассчитаем высокочастотный трансформатор блока питания стереофонического усилителя [ 3] , имеющего следующие выходные напряжения и токи:
U2 = (25+25) В
I2 = 3 A
U3 = 20 В
I3 = 1 A
U4 = 10 В
I4 = 3 А

Мощность нагрузки Pн = 200 Вт. Используемая мощность этого трансформатора Рисп = 1,3 · 200 = 260 Вт.

Частоту преобразования f выберем равной 10 5 Гц. В качестве магнитопровода используем кольцо типоразмера К38х24х7 из феррита марки 2000НН (Вmax = 0.25 T).

Определим площадь сечения Sc = (3,8 — 2,4) · 0,7/2 = 0,49 см 2 и площадь окна выбранного магнитопровода So=p ·2,4 2 ÷ 4 = 4,5 см 2 , рассчитаем габаритную мощность трансформатора Ргаб=0,49·4,5·10 5 ·0,25/150= = 367 Вт. Условие Ргаб ≥ Рисп выполняется.

Теперь определим напряжение на первичной обмотке трансформатора и число витков:

U1 = (285/2) — 1,6 = 141 В; w1 = (0,25 ∙10 4 ∙ 141) ÷ (10 5 ∙ 0,25 ∙ 0,49) ≈ 29.

Для исключения насыщения магнитопровода выбираем w1 = 30.

Imax = 200/0,8 · 141 = 1,75 A; d1 = 0,6√1,75 = 0,8 мм..

И в заключении этого определяем число витков и диаметр провода выходных обмоток:

w2 = 30 · 25/141 = 5; d2 = 0,6√3 = 1 мм;

w3 = 30 · 20/141 = 4; d3 = 0,6√1 = 0,6 мм;

w4 = 30 · 10/141 = 2; d4 = 0,6√3 = 1 мм.

В методике расчета, описанной в , для определения минимального числа витков первичной обмотки W 1 и габаритной Р габ (максимально допустимой) мощности трансформатора двухтактного преобразователя использованы формулы:

где U1 - напряжение на первичной обмотке трансформатора, В; f - частота преобразования, Гц; В max - максимальная магнитная индукция в магнитопроводе, Тл; S c и S w , - площадь сечения и площадь окна, См 2 .

Эти формулы позволяют выполнить приближенный расчет трансформатора. Но формальное следование приведенному в примеру расчета и игнорирование возникающих погрешностей может дать ошибочный результат, следствием которого может быть выход из строя трансформатора и коммутирующих транзисторов.

Рассмотрим, например, кольцевой магнитопровод К40х25х11 из феррита 2000НМ1. Рекомендуемое в максимальное значение магнитной индукции должно быть равно индукции насыщения: B max =B нас =0,38 Тл . Вероятно, в сделан вывод. что под нагрузкой выпрямленное сетевое напряжение 310 В снизится до 285 В. Поэтому для полумостового преобразователя напряжение на первичной обмотке трансформатора (за вычетом напряжения насыщения на коммутирующем транзисторе, которое принято равным 1.6 В): U 1 =285/2-1.6≈141 В. Из расчета по формуле (1) получаем W 1 =11.24≈12 витков первичной обмотки.

Допустим, необходимо получить в нагрузке постоянный ток l н =4 А при напряжении U н =50 В, что соответствует полезной мощности Р н =200 Вт. При КПД η≈0.8 используемая мощность равна P исп =P н /η=200/0.8=250 Вт. Габаритная мощность выбранного трансформатора, вычисленная по формуле (2), более чем в четыре раза превышает требуемую, поэтому он должен функционировать без проблем. В соответствии с максимальный ток в первичной обмотке равен l 1max =P исп /U 1 =1.77 А. Выберем коммутирующие транзисторы с запасом по току 50%, тогда максимально допустимый ток коллектора (стока) I к доп = 1.77*1.5=2.7 А. Для первичной обмотки трансформатора потребуется провод диаметром 0.8 мм. Вторичная обмотка должна содержать пять витков провода диаметром 1.2 мм. На этом расчет трансформатора по методике завершен. Но будет ли нормально работать преобразователь с этим Трансформатором?

Рассмотрим процесс передачи энергии в нагрузку с помощью импульсного трансформатора, схема включения которого показана на рис.1,а. Показаны направления токов в первичной i 1 и вторичной i 2 обмотках трансформатора и полярность напряжения а рассматриваемый полупериод входного импульсного напряжения u 1 , прямоугольная форма которого изображена на рис.1,б.

Заметим, что форма тока в первичной обмотке не прямоугольная. Этот ток - сумма полезной прямоугольной составляющей с амплитудой l 1max =1.77 А и треугольной составляющей тока намагничивания. Последнюю составляющую можно оценить по формуле

Размах тока намагничивания определяется длительностью полупериода ∆t:

На рис.1,в показано, как в течение одного полупериода ток намагничивания i μ возрастает от значения -l max до +l max , а другого - убывает в том же интервале. Даже при отсутствии насыщения магнитопровода только за счет возрастания тока намагничивания суммарный ток l ∑max , показанный на рис. 1,б, может увеличиться до опасных для транзисторов значений.

Рассмотрим влияние гистерезиса. Намагничивание и перемагничивание магнитопровода происходит в соответствии с кривыми, показанными на рис.2. По оси абсцисс - напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой трансформатора, по оси ординат - магнитная индукция В в магнитопроводе. На рис. 2 показаны предельная петля гистерезиса и частная (внутренняя) петля гистерезиса, соответствующая рис. 1,б и 1,в.

Рис.2

Кривая на рис.2, исходящая из точки пересечения координатных осей, соответствует начальному участку кривой намагничивания и характеризует работу трансформатора в слабых магнитных полях. Поскольку, как указывалось, напряженность магнитного поля Н, создаваемого первичной обмоткой трансформатора, пропорциональна току намагничивания i μ , вполне правомерно совместить на одном рисунке его диаграмму с изменением магнитной индукции В в магнитопроводе.

Если в любой точке петли гистерезиса провести касательную (на рисунке - это касательная АС в точке А), то ее наклон будет определять изменение магнитной индукции ЛВ по отношению к изменению напряженности магнитного поля ∆Н в выбранной точке, т.. е. ∆В/∆Н. Это - динамическая магнитная проницаемость. В точке пересечения координатных осей она равна начальной магнитной проницаемости. Для феррита 2000НМ1 она номинально составляет 2000, но ее реальное значение может находиться в весьма широких пределах: 1700...2500 .

Для показанного на рисунке примера, в котором перемагничивание магнитопровода происходит по частной петле гистерезиса с вершиной в точке D, изменение тока намагничивания i μ1 определяемого формулой (3). будет происходить почти по линейному закону. Если частота преобразования f не превышает 50 кГц, потери энергии на нагрев магнитопровода из-за его перемагничивания пренебрежимо малы. Что же касается режима с заходом значения магнитной индукции в область насыщения материала магнитопровода (B max =B нас). выбранного в , картина будет совершенно иной. В этом случае основной кривой намагничивания соответствует форма тока i μ2 весьма далекая от линейной. Касательная в точке Е с координатами (Н нас, В нас) почти горизонтальна, что эквивалентно существенному уменьшению индуктивности первичной обмотки, и поэтому в соответствии с формулой (3) ток намагничивания резко возрастает, что иллюстрирует график i μ2 . Если коммутирующий транзистор выбран без достаточного запаса по току, он будет неизбежно поврежден. Чтобы исключить насыщение магнитопровода, необходимо выполнить условие: при максимально возможном напряжении питания максимальная магнитная индукция должна соответствовать неравенству B max ≤(0,5...0,75)*В нас. Часто при проектировании двухтактного преобразователя пользуются еще и другим критерием - относительным значением тока намагничивания. Параметры первичной обмотки выбирают так. чтобы размах тока намагничивания ∆l соответствовал не более 5...10% амплитуды прямоугольной составляющей тока в первичной обмотке l 1max , тогда суммарный ток можно приближенно считать прямоугольным.

Индуктивность первичной обмотки трансформатора, содержащей в нашем примере 12 витков, равна 0.3 мГн. Амплитуда тока намагничивания, вычисленная по формуле (4). - 1.18 А. Если теперь для полезной нагрузки 200 Вт сравнить полученное максимальное значение суммарного тока коммутации l ∑max =l 1max +l max =1.77+1.18=2.95≈З А (рис.1,б) с максимально допустимым током коммутирующего транзистора 2.7 А, становится совершенно очевидным факт неправильного выбора транзистора и несоответствия вычисленного диаметра проводника первичной обмотки требуемому значению. Это несоответствие еще более усугубится в случае вполне возможного повышения входного напряжения на 20 %. Поскольку при номинальном напряжении питания выбран режим с заходом значения магнитной индукции в область насыщения материала магнитопровода (B max =B нас), в случае повышения сетевого напряжения максимальное значение тока в первичной обмотке трансформатора l ∑ max значительно превысит даже его уточненное значение 3 А.

Произвольно выбранная в примере расчета частота преобразования 100 кГц, как показывает эксперимент, является предельно возможной для феррита 2000НМ1, при этом необходимо учитывать потери энергии на разогрев трансформатора. Даже если их не учитывать, число витков первичной обмотки должно быть существенно больше. В случае увеличения напряжения сети на 20% амплитуда напряжения на первичной обмотке достигнет 180 В. Если допустить, что при этом напряжении максимальная магнитная индукция в магнитопроводе не превысит В mах =0,75*В нас =0.285 Тл, то число витков первичной обмотки, вычисленное по формуле (1), должно быть равно 20, но никак не 12.

Таким образом, недостаточно обоснованный выбор исходных значений в формуле (1) может привести к неточному или даже ошибочному расчету импульсного трансформатора. Чтобы не возникло сомнений в правомерности применения формулы (1), обоснуем ее аналитически.

Максимальная магнитная индукция В m ax (Тл) в замкнутом магнитопроводе может быть вычислена по известной формуле

где μ 0 = 4π·10 7 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума; μ EFF - эффективная магнитная проницаемость материала магнитопровода; l max - амплитуда тока намагничивания, А; W 1 - число витков первичной обмотки; l EFF - эффективная длина магнитной силовой линии в магнитопроводе, м. Подставим в (5) l max из (4), применяя известную формулу для индуктивности тороидальной обмотки

и переходя от метров к сантиметрам, получим формулу для расчета числа витков

Как видим, формула (6) отличается от (1) лишь тем, что в нее входит эффективная площадь сечения магнитопровода, а не геометрическая. Подробная методика расчета эффективных параметров различных типов магнитопроводов приведена в [З]. При практическом использовании этой формулы значение W, следует округлить вверх до ближайшего целого числа N 1 .

Обратим внимание на особенности применения использованных в соотношений при проектировании трансформаторов для различных двухтактных преобразователей.

Автогенераторные преобразователи с одним трансформатором, подобные описанному в (4), работают с заходом в область насыщения материала магнитопровода (точки Е и Е" на рис. 2). Формулы (1) и (2) используют при B max = В нас. Несколько иначе применяют указанные формулы в случае проектирования автогенераторных преобразователей с двумя трансформаторами, таких как описанный в . В нем обмотка связи на мощном трансформаторе соединена с маломощным трансформатором в цепи управления базами коммутирующих транзисторов. Импульсное напряжение, наводимое в обмотке связи, создает насыщение в маломощном трансформаторе, который и задает частоту преобразования в соответствии с формулой (1). Эту частоту подбирают такой, чтобы избежать насыщения в мощном трансформаторе, типоразмер которого определяют согласно формуле (2). В подобных блоках питания сигналы управления, формируемые насыщающимся маломощным трансформатором, сводят до минимума сквозной ток в коммутирующих транзисторах.

Наряду с автогенераторами, большой популярностью у радиолюбителей пользуются двухтактные преобразователи с внешним возбуждением. Чтобы исключить сквозной ток коммутации, генераторы сигналов внешнего возбуждения формируют защитный временной интервал между выключением открытого и включением закрытого коммутирующих транзисторов. После выбора частоты преобразования и максимального значения магнитной индукции в магнитопроводе обычно вначале на основании (2) определяют требуемый магнитопровод трансформатора, а затем с помощью формулы (1) рассчитывают число витков первичной обмотки трансформатора.

Тмпоразмер	S o ,	S EFF ,	L EFF	А L ,	Частота преобразования. кГц
					30			40			50
					Р max	N 1	I max	Р max	N 1	I max	Р max	N 1	I max
	см 2	см 2	см	мкГн	Вт	вит.	А	Вт	вит.	А	Вт	вит.	А
К28х16х9	2.01	0.526	6.56	2	42	115	0.06	56	86	0.08	70	69	0.09
КЗ1х18.5х7	2.69	0.428	7.44	1.44	48	141	0.05	61	106	0.07	77	85	0.09
КЗ2х16Х8	2.01	0.615	6.97	2.2	49	98	0.07	66	74	0.09	82	59	0.12
К32х16Х12	2.01	0.923	6.97	3.32	74	86	0.10	99	49	0.14	124	40	0.17
К32х20Х6	3.14	0.353	7.88	1.12	44	170	0.05	59	128	0.06	74	102	0.08
КЗ2х20х9	3.14	0.53	7.88	1.68	67	114	0.01	89	85	0.09	111	68	0.12
КЗ8х24х7	4.52	0.482	9.4	1.28	87	125	0.08	116	94	0.1	145	75	0.13
К40х25х7.5	4.91	0.552	9.84	1.4	106	109	0.09	145	82	0.12	181	66	0.15
К40х25х11	4.91	0.811	9.84	2.08	159	74	0.13	212	56	0.17	265	45	0.21
К45x28Х8	6.16	0.667	11	1.52	164	90	0.12	219	68	0.16	274	54	0.20
К45x28Х12	6.16	0.978	11	2.24	241	62	0.17	321	47	0.23	402	37	0.29

Для ориентировочных расчетов и предварительного выбора требуемого типоразмера магнитопровода из феррита 2000НМ1 служит таблица, в которой для нескольких значений частоты преобразования f представлены результаты расчетов минимального числа витков N 1 первичной обмотки по формуле (6), амплитудного значения тока намагничивания I max по формуле (4) и максимально возможной полезной мощности Р max . При вычислении последней вначале была вычислена габаритная мощность по формуле (2) с использованием эффективной площади сечения магнитопровода вместо геометрической, затем она была умножена на значение КПД, равное 0.8. Сумма

I ∑max = l 1 max + l max

дает основание для выбора коммутирующего транзистора по максимально допустимому току коллектора (стока). Это же значение тока можно использовать и для определения диаметра провода первичной обмотки трансформатора в соответствии с приведенной в формулой

Расчеты выполнены при условии, что максимальная магнитная индукция В mах не превысит 0.25 Тл, даже если напряжение сети будет выше номинального на 20 %, вследствие чего напряжение на первичной обмотке трансформатора двухтактного полумостового инвертора может достигать 180 В (с учетом падения напряжения на токоограничивающем резисторе и выпрямительных диодах). Магнитопровод следует подбирать с запасом 20...40% по максимальной выходной мощности, указанной в таблице. Хотя таблица составлена для полумостового преобразователя, ее данные можно легко модифицировать и для мостового. В этом случае напряжение на первичной обмотке трансформатора будет в два раза больше, а амплитуда прямоугольной составляющей тока первичной обмотки - в два раза меньше. Число витков должно быть вдвое больше. Индуктивность обмотки возрастет в четыре раза, а ток >I max уменьшится вдвое. Можно использовать магнитопровод из двух сложенных вместе ферритовых колец одного типоразмера, что приведет к двукратному увеличению площади сечения магнитопровода S c и коэффициента индуктивности A L . Согласно формуле (2) габаритная и полезная отдаваемая мощность также возрастут вдвое. Минимальное число витков первичной обмотки, вычисленное по формуле (6) останется неизменным. Ее индуктивность возрастет вдвое, а ток намагничивания I max , определенный по формуле (4), останется прежним.

В блоках питания с выводом от средней точки первичной обмотки трансформатора к половине этой обмотки прикладывается полное напряжение сети, поэтому число витков обмотки должно быть в два раза больше по сравнению с мостовым преобразователем при прочих равных условиях.

Подчеркнем, что из-за значительного разброса реальных значений параметров ферромагнитных материалов по сравнению с их справочными данными таблицу можно использовать только для предварительного выбора магнитопровода, а затем, после экспериментального измерения его характеристик, требуется провести уточненный расчет трансформатора. Например, для магнитопровода К40х25х11 в таблице приведено значение коэффициента индуктивности A L =2.08 мкГн на виток. Экспериментально уточним магнитные свойства конкретного экземпляра магнитопровода: для пробной обмотки из N проб = 42 витков измеренная индуктивность равна ≈3.41 мГн, а коэффициент индуктивности

Но отличия могут быть и более значительными, поэтому приведенное в таблице значение коэффициента индуктивности следует все же рассматривать как ориентировочное. В нашем случае нужно либо увеличить число витков, чтобы индуктивность обмотки была не меньше рассчитанной по табличным данным, либо при выборе транзисторов учесть, что ток l max будет больше табличного в 2,08/1,93≈1.1 раза.

На этапе изготовления, скорее всего, окажется, что рекомендованное минимальное число витков первичной обмотки будет лишь частично заполнять первый слой трансформатора. Чтобы магнитное поле, создаваемое такой обмоткой в магнитопроводе, было однородным, ее витки располагают либо "вразрядку", либо заполняют ими слой целиком, а затем, с учетом нового числа витков, проводят окончательный расчет трансформатора.

Завершим расчет трансформатора, выбранного в качестве примера. Из таблицы следует, что на частоте 50 кГц максимальная полезная мощность составит 265 Вт, минимальное число витков первичной обмотки N 1 равно 45. Ориентировочно максимальное значение коммутируемого тока: 1.77+0.21=1.98 А. Определим диаметр провода первичной обмотки трансформатора. Как указывалось , ближайший по диаметру из производимой промышленностью номенклатуры выберем d 1 =0,83мм, а с учетом изоляции d 1 =0,89 мм. Если учесть электрическую изоляцию магнитопровода несколькими слоями лакоткани общей толщиной 0,25 мм, внутренний диаметр магнитопровода уменьшится до 25-0.5=24.5 мм. При этом длина внутренней окружности составит π·24,5≈80 мм. С учетом коэффициента заполнения 0,8 для намотки первого слоя обмотки доступно 64 мм, что соответствует 64/0,89 = 71 витку. Таким образом, для 45 витков достаточно места. Наматываем их "вразрядку".

При определении числа витков вторичной обмотки необходимо знать падение напряжения на первичной обмотке. Если учесть, что длина одного витка составляет 40.5-24.5+2-11.5=39 мм, то общая длина провода в первичной обмотке равна 45*39=1.755 м. Учитывая погонное сопротивление провода , получим R обм1 =0.0324*1.755=0.06 Ом, а падение напряжения на первичной обмотке достигнет U 1nад =1.77*0.06=0,1 В.

Очевидно, что столь малым его значением можно пренебречь. Если предположить, что потери на выпрямительном диоде примерно равны 1 В, тогда получим расчетное число витков вторичной обмотки N 2 =45*(51/150)=15,3 ≈ 16 витков. Диаметр провода вторичной обмотки

Заполнение окна трансформатора по меди

что соответствует коэффициенту заполнения

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

Уточним максимальное значение тока намагничивания с учетом того, что измеренное значение коэффициента индуктивности оказалось в 1.1 раза меньше табличного. Поэтому ток намагничивания I max будет в 1.1 раза больше и составит 0.23 А, что в нашем примере не сильно отличается от табличного значения, 0.21 А. Суммарный ток коммутации в первичной обмотке при максимальном сетевом напряжении равен l Σmax =1.77+0.23=2 А. Исходя из этого необходимо выбрать коммутирующие транзисторы с максимально допустимым током коллектора (стока) не менее l дoп =1.5*2=3 А. Максимальное напряжение на коммутирующих транзисторах (в закрытом состоянии) равно полному выпрямленному напряжению сети, поэтому максимально допустимое напряжение на коллекторе (стоке) должно быть не менее U дoп =1.2*360=432 В. На этом расчет импульсного трансформатора завершен.

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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

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

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

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

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

Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) – важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:

стержневом;
броневом;
тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник);
бронестержневом;

На рисунках обозначены:

A – магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
В – катушка из изолирующего материала
С – провода, создающие индуктивную связь.

Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.

Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.

Принцип работы

Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Схема: подключение импульсного трансформатора

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

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

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ p =L 0 /R н

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В max – В r

В max – уровень максимального значения индукции;
В r –остаточный.

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

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U 2 , в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i u).

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

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t u остается неизменным, его значение е t =U m . Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

при этом:

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

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

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

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

U m x t u =S x W 1 x ∆В

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

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

Здесь:

L 0 – перепад индукции;
µ а – магнитная проницаемость сердечника;
W 1 – число витков первичной обмотки;
S – площадь сечения сердечника;
l cр – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
В r – величина остаточной индукции;
В max – уровень максимального значения индукции.
H m – Напряженность магнитного поля (максимальная).

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

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора

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

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

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ. Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.

В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Р н.

Значение Р н отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Р гб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:

Необходимые для вычисления параметры:

S c – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
S 0 – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);

В макс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.

Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина U I определяется выражением:

U I =U/2-U э (U – питающее преобразователь напряжение; U э – уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:

Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.

П.А. Кошелев, А.А. Цариашвили
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия

Дан обзор существующих магнитных материалов, используемых для сердечников высокочастотных трансформаторов. Рассмотрена методика создания модели трансформатора в программе Microcap 9. Представлен пример расчета основных характеристик однотактного обратноходового преобразователя с высокочастотным трансформатором, проведено моделирование.

Ключевые слова: Магнитные материалы, пермаллой, однотактный обратноходовой преобразователь..

Введение

Импульсные источники питания (ИИП) становятся популярными из-за высокой эффективности, высокой удельной мощности и низких массогабаритных параметров, высокой энергетической плотности. Благодаря использованию широтно-импульсной модуляции (ШИР) они способны стабилизировать напряжение в широких пределах.

Одной из наиболее широко распространенных схем маломощного импульсного источника питания является схема обратноходового преобразователя (ОП), показанная на рисунке 1. Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством либо широтно-импульсной модуляции (ШИМ), либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ).

Рисунок 1 - Типовая схема обратноходового преобразователя

Методика работы силовой части ОП достаточно проста. В период, когда транзистор VT 1 открыт, в первичной обмотке трансформатора (ТР) начинает линейно нарастать ток. Во вторичной обмотке ток не течет из-за обратно включенного диода VD 1. При закрытии транзистора полярность напряжения на вторичной обмотке ТР меняется,в ней начинает течь ток, который заряжает выходной конденсатор и питает нагрузку. Другими словами, в течении первой части периода трансформатор ОП запасает энергию в магнитном поле сердечника, которая затем реализуется в нагрузке.

Смысл ШИМ состоит в следующем. При увеличении длительности включенного состояния транзистора, ТР запасает в себе большую мощность, что означает, что на выходе схемы будет большее напряжение. Таким образом, регулируя длительность включенного состояния транзистора, можно управлять выходным напряжением схемы.

В связи с распространенностью импульсных источников питания, работающих на высокой частоте, целесообразно провести обзор существующих магнитных материалов для ВЧ ТР.

Далеко не все ферромагнетики подойдут для изготовления трансформаторов и дросселей, тем более высокочастотных. Наиболее подходящие свойства, которыми должны обладать эти материалы, таковы :

Материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, то есть быть магнитомягким - обладать узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости;

Материал должен обладать большой индукцией насыщения, что позволит разработчику уменьшить габариты и массу электротехнических изделий;

Материал должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание и вихревые токи;

Материал должен иметь слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений типа растяжения и сжатия;

Материал должен в максимальной степени сохранять магнитные характеристики при изменении температуры, влажности, с течением времени.

В большинстве справочников магнитные материалы классифицируются по трем основным группам:

а) проводниковые - электротехнические стали и сплавы (пермаллои);

б) полупроводниковые - ферриты;

в) диэлектрические - магнитодиэлектрики.

Применение материалов, относящихся к разным группам, имеет свои особенности. При изготовлении электромагнитных элементов, работающих на частотах от 50 Гц до 10 кГц, используют электротехнические стали, на частотах от 5...10 до 20...30 кГц - электротехнические сплавы, на частотах от нескольких килогерц и выше - ферриты и магнитодиэлектрики. Отдельные виды электротехнических сплавов так называемого микронного проката работают на частотах до нескольких сотен килогерц. Но в любом случае надо помнить, что верхняя частота материала ограничена потерями в нем на гистерезис и вихревые токи.

Сравним наиболее часто используемые ВЧ магнитные материалы: ферриты, альсиферы и пресспермы.

Ферриты наиболее часто используются в силовой импульсной технике. Они представляют собой поликристаллические многокомпонентные соединения, изготавливаемые по особой технологии, общая химическая формула которых MeFe2O3 (где Me - какой-либо ферромагнетик, например, Mn, Zn, Ni). Являясь полупроводниками, ферриты обладают высокими значениями собственного электрического сопротивления, превышающего сопротивление сталей в 50 раз и более. Именно это обстоятельство позволяет применять ферриты в индуктивных элементах, работающих на высоких частотах, без опасения, что могут резко повыситься потери на вихревые токи. Наибольшее распространение в силовой технике получили отечественные марганец-цинковые ферриты марок НМ и никель-цинковые ферриты марок НН. При выборе между этими марками предпочтение, конечно, следует отдать ферритам марок НМ, поскольку они имеют более высокую температуру Кюри (температура, при которой ферромагнетики теряют свои ферромагнитные свойства), что позволяет эксплуатировать их при более высоких температурах перегрева. Потери на гистерезис у марганец-цинковых ферритов на порядок меньше, чем у никель-цинковых. Ферриты марок НМ обладают высокой стабильностью к воздействию механических нагрузок. Однако электрическое сопротивление ферритов марок НМ меньше, чем ферритов марок НН, поэтому последние могут эксплуатироваться на более высоких частотах. Кривые намагничивания марганец-цинковых (НМ) от никель-цинковых (НН) ферритов изображены на рисунке 2.

1 –4000 НМ, 2 – 3000 НМ, 3 – 2000 НМ, 4 – 1000 НМ, 5 – 2000 НН, 6 – 600 НН, 7 – 400 НН, 8 – 200 НН

Рисунок 2 - Кривые намагничивания марганец-цинковых (НМ)
от никель-цинковых (НН) ферритов

Альсиферы - широко применяемый в силовой импульсной технике вид магнитодиэлектриков. Основу магнитного наполнителя альсиферов составляет тройной сплав Al-Si-Fe (алюминий, кремний, железо). Отечественной промышленностью выпускается 6 марок альсиферов с относительной проницаемостью от 22 до 90, предназначенных для работы в интервале температур от -60 до +120 °С. На рисунке 3 приведены кривые намагничивания альсиферов марок ТЧ-60, ГЧ-32, ВЧ-22.

Пресспермы - магнитодиэлектрики, производимые на основе Mo-пермаллоя. Изготовляют их из мелкого металлического порошка на базе высоконикелевого пермаллоя, легированного молибденом. Пресспермы обладают повышенной магнитной проницаемостью, низким уровнем гистерезисных потерь. Отечественной промышленностью разработаны 10 марок пресспермов нетермокомпенсированных и столько же термокомпенсированных. Параметры некоторых представителей приведены в таблице 1. В обозначении термокомпенсированных пресспермов добавляется буква «К». Цифра в обозначении марки - это номинальная магнитная проницаемость. Верхняя рабочая частота МО-пермаллоевых сердечников составляет 100 кГц.

Рисунок 3 - Кривые намагничивания альсиферов
марок 1 -ТЧ-60, 2- ГЧ-32, 3- ВЧ-22.

Таблица 1 - Параметры отечественных пресспермов

На рисунке 4 приведены кривые намагничивания пресспермов наиболее распространенных марок.

Рисунок 4 - а) кривые намагничивания пресспермов;
б) кривые изменения проницаемости от напряженности внешнего поля:
1 - МП-250; 2 - МП-140; 3 - МП-100; 4 - МП-60

Все импульсные источники с индуктивными элементами по типу преобразования можно разделить на два больших класса: источники с трансформаторами и источники с накоплением энергии в индуктивном элементе и последующей ее реализации в нагрузке. К первым относятся мостовые и полумостовые схемы инверторов напряжения, схема однотактного прямоходового преобразователя. Ко вторым - стабилизаторы понижающего и повышающего типа, разнообразные однотактные и двухтактные преобразователи, в частности схема однотактного обратноходового преобразователя.

В первом случае, в соответствие с расчетной формулой ЭДС обмотки ТР (1), на габариты индуктивного элемента существенное влияние оказывает В m - максимальная индукция насыщения в материале сердечника.

Во втором случае, по формуле (11), наибольшее влияние на габариты индуктивного элемента влияет H макс - значение максимальной напряженности магнитного поля в сердечнике. Грубо говоря, значение H макс характеризует способность материала сердечника аккумулировать энергию.

Таким образом, в случае использования прямоходовой схемы однотактного преобразователя необходимо выбирать материал с наибольшей индукцией насыщения, случае обратноходовой – с наибольшей напряженностью магнитного поля внутри сердечника. Наибольшей напряженностью магнитного поля обладают альсиферы и пресспермы, но площадь гистерезиса у альсиферов выше, что означает, что они будут иметь большие потери. Поэтому выберем для материала сердечника пресспермы серии МП.

Литература

1. Найвельт Г.С., Мазель К.Б. и др. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник под ред. Найвельта Г.С. - М.: Радио и связь, 1985. - 576 с.

2. Березин О.К., Костников В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания РЭА. - М.: "Три Л", 2000. - 400 с.

3. Irving M. Gottlieb Power Supplies, Switching Regulators, Inverters, and Converters, 2nd edition. – «McGraw-Hill», 1994

4. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.: ил. (Серия «Библиотека инженера»)

5. http://rusgates.ru/ Официальный сайт производителя магнитных сердечников ОАО "Ферроприбор" (дочерние предприятия ООО "Нева-Феррит" и ООО "Магнит")

6. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Издательский дом «Додэка- XXI », 2001. – 608 с.

7. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro - Cap 8. –М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 464 с. ил.

Библиографическая ссылка на статью:
П.А. Кошелев, А.А. Цариашвили Расчет и моделирование высокочастотного трансформатора в составе однотактного обратноходового преобразователя // Онлайн Электрик: Электроэнергетика. Новые технологии, 2014..php?id=134 (Дата обращения: 25.08.2019)