площадь окна сердечника феррита

Видео:Ферритовые сердечники для импульсных трансформаторов.Скачать

Конструирование импульсных источников питания – ЧАСТЬ 5

Если преобразователь двухтактный, то на трансформатор подаются импульсы переменной полярности одинаковой амплитуды. Первый импульс вызовет некоторое остаточное намагничивание сердечника — остаточную индукцию +1>^. Второй импульс имеет другую по отношению к первому полярность. По его окончании окажется, что, остаточная индукция имеет ту же величину В^, но другой знак. То есть сердечник перемагнитился. Следующий импульс вызовет остаточную индукцию +Βο„ — с обратным знаком по отношению к остаточной индукции, вызванной вторым импульсом. Далее, с каждым следующим импульсом тока остаточная индукция будет равна ±В_0СТ, причем ее знак станет определяться знаком соответствующих импульсов тока. Нарастания величины остаточной индукции не происходит. Конечно, в каждом импульсе какая-то часть полезной энергии’ затрачивается на компенсацию предыдущей остаточной индукции и создание новой. Это несколько снижает КПД, но не приводит к большим неприятностям.

В однотакгных преобразователях и, в частности, в обратноходовом картина существенно меняется. Все импульсы тока имеют один знак. Для нормальной работы преобразователя каждый импульс должен обеспечить за время своего действия размах величины индукции В_имп. Если сердечник был первоначально размагничен, то максимальная индукция сердечника в первом импульсе равна В_иип. После первого импульса величина остаточной индукции равна В^,. Второй импульс должен обеспечить изменение индукции на величину В_имл относительно остаточной индукции В^,, и максимальная индукция в сердечнике будет Виип + Восн- После второго импульса величина остаточной индукции будет Ban> > В,*;. С каждым последующим импульсом остаточная намагниченность сердечника увеличивается. Этот процесс не бесконечен — при некоторой остаточной индукции В^ ее прирост остановится. Если размах индукции достаточно велик, сумма В^ + В_имп может превысить индукцию насыщения материала сердечника В_я|. При этом резко падает величина индуктивности обмотки. В реальном преобразователе это может привести к потере работоспособности и даже к выходу из строя силового ключа. Конечно, выбором небольшой величины В_имп можно избавиться от такого эффекта, но на практике это ведет к резкому увеличению габаритов сердечника, что приводит к возрастанию потерь в феррите к, наконец, просто дорого.

Основным методом снижения влияния В^ является введение немагнитного зазора в магнитный поток сердечника. Не вдаваясь в теоретические тонкости, можно сказать, что введение немагнитного зазора приводит к «растягиванию» характеристики индукции сердечника. Более физичным будет такое объяснение — при введении зазора большая часть энергии запасается не в сердечнике, а в зазоре, что и приводит к уменьшению эффективной величины В^. Однако за все надо платить — введение зазора уменьшает магнитную проницаемость сердечника в десятки раз — это приводит к увеличению габаритов и количества витков обмоток (не в такой, правда, степени, как снижение В_имп).

• Подавляющее большинство разработчиков, вертя в руках неопробованный сердечник будущего трансформатора, задаются двумя главнымопросами какой зазор должен быть для «большей лучшесги» и сколько витков надо намотать в первичной обмотке.

Весьма часто перед тем, как эти вопросы становятся главными, человек старательно штудирует литературу, пытается разобраться во множестве формул, силясь вспомнить школьный курс физики, и даже обнаруживает, что существуют САПР для расчета трансформаторов. Он пытается что-то считать и, наконец, получает величину ширины оптимального зазора 0,0111 мм. С одной стороны, становится понятным, что реализовать такой малый зазор (и вдобавок стабильный по температуре и времени) на практике весьма сложно, а с другой стороны — он же оптимальный… В конце концов, для организации зазора начинают использоваться кусочки бумаги.

Оставляя в стороне эмоции, по поводу силового трансформатора можно сказать следующее. Для того чтобы иметь нормальный трансформатор для хорошо работающего -источника, надо правильно определить такие параметры трансформатора:

• материал и форму (тип) сердечника;

• габаритную мощность сердечника;

• величину немагнитного зазора;

• количество витков в обмотках;

• и, наконец, конструкцию — т. е. как разместить обмотки, как их . наматывать и как изолировать.

4.1. Материал сердечника

Как уже говорилось, в настоящее время лучше всего использовать] ферриты. Феррит должен иметь низкие потери, высокую начальную! магнитную проницаемость mn и высокую индукцию насыщения Bs. > При работе на частотах порядка 100 кГц наилучшими материалами – являются отечественные НМС1, НМС2 (аналогичный импортный — ‘ ЗС8). Основные характеристики отечественных ферритов приведены в табл. 3.4 [4].

4.2. Форма (тип) сердечника

Форма сердечника во многом определяет индуктивность рассеяния трансформатора 1^. При прочих равных условиях более «закрытый» сердечник (т. е. сердечник, в котором большая часть силовых магнитных линий проходит не по воздуху, а через феррит) даст меньшую индуктивность рассеяния. Наилучшими с этой точки зрения являются сердечники типа PQ. Для Ш-образных сердечников наименьшую величину Lpu имеют сердечники, у которых площадь окна близка к площади сечения керна. Однако такие сердечники, как и сердечники типа! PQ, не позволяют при необходимости разместить несколько вторичных обмоток. Увеличение типоразмера приводит к увеличению потерь в феррите, поскольку эти потери прямо зависят от объема феррита в сердечнике. Поэтому при большом количестве вторичных обмоток приходится выбирать сердечники с большей относительной площадью окна типов ЕС, ETD. Вполне приемлемые величины Ц* получаются при использовании отечественных сердечников типа КВ (импортный аналог RH). Если источник должен иметь небольшую толщину, то выбираются низкопрофильные сердечники типа EFD. В любом случае лучше выбирать сердечник в комплекте с каркасом для обмоток.

4.3. Габаритная мощность

Габариты сердечника (т. е. типоразмер при выбранном типе) определяются двумя критериями. Во-первых, сердечник не должен перегреваться при максимальной выходной мощности и, во-вторых, окно должно иметь достаточную площадь для размещения всех обмоток трансформатора. После того как намотана пара десятков различных трансформаторов, разработчик практически безошибочно может определить типоразмер сердечника. Если такого опыта нет, то для сетевых обратноходовых источников с небольшим количеством вторичных обмоток можно рекомендовать такой приближенный критерий выбора сердечника по сечению керна: 0,035 см 2 /Вт для мощностей до 20 Вт и 0,02 см 2 /Вт при мощности от 20 до 50 Вт.

Площадь заполнения окна сердечника, S_Mn, определяется формулой

где d, — диаметр провода i-й обмотки с учетом изоляции, п, — количество витков i-й обмотки, 1„ — толщина слоя изоляции, п„ — общее количество слоев изоляции, h_0lc — высота окна с учетом каркаса, — коэффициент заполнения, обычно равный 1,1…1,5 и зависящий от аккуратной намотки трансформатора.

Площадь окна сердечника с учетом каркаса, S_0K, должна быть больше площади заполнения окна S_m· Вели это условие не выполняется, необходимо выбрать сердечник с большим относительным размером окна, или (что хуже с точки зрения потерь в феррите) выбрать больший типоразмер того же типа сердечника.

4.41 Величина немагнитного зазора

Теоретически для каждого сердечника при заданной мощности и заданной индуктивности первичной обмотки существует оптимальная величина немагнитного зазора при которой обеспечиваются небольшие потери и надо наматывать не очень большое количество витков. Такие оптимальные величины I, могут находиться в пределах от сотых до десятых долей мм. К сожалению, не всегда можно отыскать материал для изготовления немагнитной прокладки с толщиной, в точности равной рассчитанному I,. При I, of your page —>

Видео:Как измерить проницаемость сердечникаСкачать

Площадь окна сердечника феррита

Определение индуктивности основные соотношения

Катушка индуктивности, дроссель или просто индуктивность – элемент, название которого происходит от слова inductio – навожу, вызываю. Классически и упрощенно индуктивность можно представить как несколько витков, обмотанные вокруг ферромагнитного сердечника. При этом, поскольку витки расположены рядом (и к тому же на одном ферромагнитном сердечнике) то они связаны индуктивно и изменение тока в одном витке вызывает (индуктирует) противоток и противо-ЭДС в другом и рост тока замедляется. Так как в катушке индуктивности все витки соединены последовательно, то они взаимонаводят противоток, препятствующий росту тока. И напротив, если катушку отключить от источника то витки будут наводить друг в друге ЭДС, чтобы ток через индуктивность не изменился. Классический аналог индуктивности есть инерция массы. Более распространенное название катушки индуктивности – дроссель.

Скорость роста тока через индуктивность пропорциональна приложенному к нему напряжению и обратно пропорциональна величине самой индуктивности:

В случае если напряжение на дросселе постоянно ток возрастает по линейному закону:

Конструктивно индуктивность обычно состоит из двух основных элементов, определяющих её свойства: обмотки и ферромагнитного сердечника.

С увеличением тока дросселя индукция в магнитопроводе увеличивается и после достижения индукции насыщения, определяемой материалом магнитопровода индуктивность дросселя резко падает. Если к дросселю еще приложено напряжение, то ток через него резко возрастает. Максимальное значение тока, соответствующего индукции насыщения является максимальным рабочим током дросселя. Этот параметр указывается в справочных листках на серийно выпускаемые дроссели.

Обмотка характеризуется рядом параметров:

• числом витков;
• тип и параметры провода;
• средней площадью сечения витка;
• длиной обмотки;
• типом обмотки (однослойная, многослойная, тип многослойной намотки и т.д.).

Сердечник характеризуется следующими параметрами:

• тип сердечника (форма магнитопровода);
• материал сердечника;
• наличие и величина немагнитного зазора;
• площадь сечения магнитопровода;
• длина средней линии магнитопровода;
• площадь окна магнитопровода.

Единица измерения индуктивности – Генри. В честь американского ученого Джозефа Генри.

Условное обозначение дросселя:

Рисунок L.1 — Условное обозначение дросселя (без магнитопровода)

Основные параметры дросселя

Характеристики обмотки и сердечника характеризуют основные параметры дросселя:

• индуктивность L;
• омическое сопротивление R;
• максимальный ток через дроссель (без перехода сердечника в насыщение);
• эквивалентная паразитная емкость обмотки C;
• максимальная рабочая частота (характеризуется материалом сердечника);
• масса и габариты.

Функции индуктивности в силовой электронике

В устройствах силовой электроники индуктивность играет ряд функций:

• функцию накопителя энергии (в импульсных стабилизаторах и родственных им обратноходовых преобразователях);
• в составе LC-фильтров;
• в составе резонансных LC-контуров.

Типы индуктивностей

Существует несколько типов индуктивностей используемых в силовой электронике:

• выводные индуктивности;
• SMD-индуктивности;
• индуктивности на ферритовых стандартных каркасах.

Выводные и SMD-индуктивности, как правило, имеют небольшие значения тока и величины индуктивности и могут быть использованы в маломощных импульсных стабилизаторах и фильтрах. Конкретный тип дросселя выбирается согласно рассчитанным параметрам: рабочему номиналу индуктивности, максимально допустимому току, рабочей частоте. Кроме этого важно учитывать наличие или отсутствие электромагнитной экранировки корпуса дросселя, что сказывается на уровне излучаемых им электромагнитных помех.

Для стабилизаторов мощностью более 20 Вт целесообразно использование мощных дросселей выполняемых на стандартных сердечниках.

Эквивалентная схема дросселя

Эквивалентная электрическая схема дросселя, содержащая все основные паразитные элементы, представлена на рисунке L.2.

Рисунок L.2 — Эквивалентная схема дросселя

Последовательное сопротивление дросселя R зависит от длины и сечения провода, из которого выполнена обмотка. Кроме того при большой толщине провода на высоких частотах проявляется скин-эффект, значительно увеличивающий последовательное сопротивление. Подробнее влияние скин-эффекта и методика количественного расчета описана в части «Влияние скин-эффекта на сопротивление обмоток при высоких частотах» раздела «Трансформатор».

Паразитная емкость дросселя C существенно зависит от геометрии магнитопровода и способа намотки. Так меньшим значением паразитной емкости обладают дроссели с однорядовой и N-образной обмоткой (подробнее – часть «Обмотки» раздела «Трансформатор»).

Если в емкости энергия запасается в электрическом поле между обкладками, то энергия индуктивности запасается в магнитном поле. Интересно, что если магнитопровод не является замкнутым, то энергия дросселя «размещается» вокруг дросселя, вызывая существенные наводки на близкорасположенные контуры.

Расчет индуктивности дросселя

Общее соотношение для определения индуктивности того или иного дросселя с замкнутым магнитопроводом имеет вид:

µ₀ – магнитная постоянная;

µ – магнитная проницаемость материала сердечника (эффективное значение магнитной проницаемости сердечника);

S – площадь сечения магнитопровода;

l – длина магнитопровода;

N – число витков.

Это соотношение имеет достаточно общий характер. На практике индуктивность дросселя с магнитопроводом является индуктивностью лишь в определенном диапазоне токов. Основным лимитирующим процессом является насыщение магнитопровода. Об этом подробнее – ниже.

Процесс насыщения магнитопровода, рабочий диапазон изменения индукции

Для понимания процесса насыщения важно понимание причинно-следственной связи. Магнитная индукция в магнитопроводе B является следствием напряженности магнитного поля H (ампер-витки), создаваемой током обмотки I:

Упрощенно можно сказать, что индукция магнитного поля определяется напряженностью магнитного поля через коэффициент пропорциональности µ₀µ (упрощенно – потому, что зависимость имеет форму гистерезиса):

Изменение тока через индуктивность приводит к изменению напряжённости поля и соответственно изменению индукции магнитного поля. Материал магнитопровода определяет рамки изменения магнитной индукции – индукция ограничена сверху индукцией насыщения B_sat. Пока изменение магнитной индукции происходит в пределах [- B_sat … + B_sat] дроссель сохраняет свои индуктивные свойства и заданный уровень индуктивности. В двухтактных преобразователях может быть использован весь размах допустимого изменения индукции. В однотактных стабилизаторах и преобразователях (когда прикладываемое напряжение однополярное) этот рабочий диапазон изменения индукции в магнитопроводе уменьшается до [+B_r … + B_sat]. Здесь B_r – остаточная индукция (remanence) – индукция, которая остается в материале магнитопровода при снижении напряжённости внешнего магнитного поля до нуля. То есть начало нового рабочего цикла начнется с роста B не от нуля, а с некоторого значения B_r .

Для увеличения размаха индукции ΔB рабочего цикла магнитопровода необходимо уменьшать величину остаточной индукции магнитного поля, поскольку гистерезисный цикл магнитопровода однотактного устройства (трансформатора обратноходового преобразователя, силовые дроссели) лежит лишь в одном сегменте полной гистерезисной петли. То есть размах магнитной индукции ограничен с одой стороны индукцией насыщения, а с другой стороны – остаточной магнитной индукцией. Индукция насыщения является параметром неизменным, индивидуальным для ферромагнитного материала, а вот уровень остаточной индукции может быть уменьшен.

Из соотношения, связывающего индукцию магнитного поля с напряженностью магнитного поля следует, что, допустимый диапазон изменения напряженности магнитного поля определяется двумя факторами: с одной стороны, — диапазоном возможного изменения индукции в магнитопроводе ΔB, с другой, — коэффициентом пропорциональности, определяемым магнитной проницаемостью:

Существует теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля. Эта теорема гласит «Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру равна алгебраической сумме микроскопических токов охватываемых этим контуром»:

Согласно теореме о циркуляции вектора напряженности магнитного поля (в базе – теорема о циркуляции магнитного поля) для случая дросселя с замкнутым магнитопроводом диапазон изменения тока (от нуля) определяется диапазоном изменения напряженности магнитного поля:

Заменяя абсолютные значения на изменения величин ΔI и ΔH получаем:

ΔI – максимальное изменение тока обмотки дросселя;

N – число витков в дросселе;

ΔH – допустимый диапазон изменения напряженности магнитного поля в материале магнитопроводе (от нулевого значения);

l – длина магнитной линии магнитопровода.

Подставляя выражение для напряженности магнитного поля в выражение теоремы о циркуляции вектора напряженности магнитного поля получаем выражение для определения максимальной амплитуды тока дросселя:

Отсюда следует, что максимальные ампер-витки, которые можно получить при сохранении индуктивных свойств дросселя (без насыщения) определяются диапазоном возможного изменения индукции в магнитопроводе ΔB, с другой, — коэффициентом пропорциональности, определяемым магнитной проницаемостью μ.

Для увеличения ампер-витков можно использовать, во-первых, снижение остаточной индукции B_r, во-вторых, — уменьшение эффективной магнитной проницаемости μ. Все это обеспечивается за счет введения в магнитопровод индуктивного элемента немагнитного зазора.

Немагнитный зазор – основные соотношения

Введение немагнитного зазора является одним из способов снижения остаточной индукции магнитного поля и уменьшение эффективной магнитной проницаемости сердечника. Ниже подробно рассмотрено как введение зазора влияет на конкретные рабочие параметры индуктивного элемента.

Влияние на остаточную индукцию магнитного поля B_r

Введение немагнитного зазора длиной l_g приводит к «перераспределению» напряженности магнитного поля между магнитопроводом и зазором. При этом в соответствии с законом полного тока [Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. — 208 с: ил.]:

l – общая длина промежутка вместе с зазором;

l_g – длина немагнитного зазора;

H – напряженность поля в материале магнитопроводе;

H_g – напряженность поля в немагнитном зазоре;

H_f­­ – напряженность внешнего (эквивалентного) магнитного поля.

Смысл данного выражения заключается в том, что произведение эквивалентной напряженности поля H_f­­ на общую длину промежутка с зазором (эдакое магнитное напряжение) складывается из произведения напряженности поля в магнитопроводе H на длину магнитопровода (l-l_g) и произведения напряженности поля в зазоре H_g на длину зазора l_g. То есть магнитный зазор фактически берет на себя часть суммарного «магнитного напряжения» и эффективная напряженность внешнего (эквивалентного) магнитного поля увеличивается. Напомним, что напряженность поля по сути есть ампер·витки.

В соответствии с принципом непрерывности магнитного потока магнитные поток в зазоре Φ_g равен магнитному потоку в магнитопроводе Φ₀:

Поскольку размеры зазора достаточно малы по сравнению с шириной магнитопровода, то можно считать, что поле в зазоре однородно, площадь внутри зазора равна площади поперечного сечения магнитопровода и соответственно индукция магнитного поля в зазоре B_gравна индукции магнитного поля в магнитопроводе B₀:

Отсюда следует, что выражение для «перераспределения» напряженности магнитного поля между магнитопроводом и зазором можно преобразовать:

И поскольку длина немагнитного зазора много меньше длины промежутка:

Или с учетом выражения для напряженности магнитного поля получаем выражение, связывающее эквивалентную напряженность магнитного поля H_f с индукцией магнитного поля при наличии немагнитного зазора l_g:

Если бы зазора не было, то выражение имело бы вид:

Сопоставление формул «с зазором» и «без зазора» наглядно показывает, что при одном и том же значении индукции B₀ достигается большее значение напряженности, то есть большие ампер-витки. При этом увеличение напряженности магнитного поля на происходит на величину:

Графические, введение зазора вытягивает гистерезисный цикл вдоль оси H (рисунок L.3). Эквивалентный гистерезисный цикл может быть построен смещением точек нормального гистерезисного цикла B = f (H) вправо (при положительных значениях H) и влево (при отрицательных значениях H) на «расстояние»:

Или, размышляя по другому, при одних и тех же ампер-витках, но с введенным зазором индукция магнитного поля в магнитопроводе уменьшается.

Определим величину остаточной индукции B_r. Значение B_r можно вычислить, зная величину коэрцитивной силы H_c и величину магнитной проницаемости на начальном участке гистерезиса (геометрия расчетов показана на рисунке L.3):

При введении зазора эта величина уменьшается пропорционально уменьшению эффективной магнитной проницаемости:

μ – магнитная проницаемость материала сердечника;

l_g – длина магнитного зазора.

Обоснование формулы для расчета эффективной магнитной проницаемости μ_effпредставлено в следующем разделе.

Рисунок L.3 — Эквивалентный гистерезисный цикл для магнитопровода с зазором

Из сопоставления эквивалентного гистерезисного цикла магнитопровода с зазором и нормального гистерезисного цикла магнитопровода (без зазора) следует, что остаточная магнитная индукция гистерезисного цикла магнитопровода с зазором существенно меньше остаточной индукции в случае без зазора. Таким образом, ведение зазора является эффективным способом уменьшения остаточной индукции магнитного поля.

Влияние зазора на эффективную магнитную проницаемость сердечника μ_eff

Выражение, связывающее эквивалентную напряженность магнитного поля H_f с индукцией магнитного поля при наличии немагнитного зазора l_g:

Можно привести к традиционному виду:

μ_eff — эффективная магнитная проницаемость материала сердечника с зазором.

Отсюда получаем, что при введении немагнитного зазора в магнитопровод эффективная магнитная проницаемость материала сердечника с зазором μ_eff уменьшается и вычисляется по соотношению:

μ – магнитная проницаемость материала сердечника;

l_g – длина магнитного зазора.

Влияние зазора на индуктивность

Общее соотношение для определения индуктивности того или иного дросселя с замкнутым магнитопроводом имеет вид:

µ₀ – магнитная постоянная;

µ – магнитная проницаемость материала сердечника;

S – площадь сечения магнитопровода;

l – длина магнитопровода;

N – число витков.

При введении немагнитного зазора в вышеприведенном соотношении расчета индуктивности магнитная проницаемость материала сердечника µ заменяется на эффективную магнитная проницаемость материала сердечника с зазором μ_eff вычисляемая по выше приведенному соотношению. Подставляя μ_eff в формулу для индуктивности, получаем выражение для индуктивности дросселя с зазором:

μ_eff — эффективная магнитная проницаемость материала сердечника с зазором.

Таким образом, введение зазора является эффективным способом увеличения индуктивности «за счет меди» то есть при увеличении числа витков.

Влияние немагнитного зазора на максимальный ток

При введении немагнитного зазора в вышеприведенном соотношении расчета индуктивности используется эффективная магнитная проницаемость материала сердечника с зазором μ_eff вычисляемая по соотношению:

μ – магнитная проницаемость материала сердечника;

l_g – длина немагнитного зазора.

Подставляя, получаем выражение для индуктивности дросселя с зазором:

Максимальный ток, до которого дроссель работает в линейном режиме без насыщения определяется индукцией насыщения. Найдем соотношение для расчета максимального тока дросселя:

В соответствии с теоремой о циркуляции вектора напряженности магнитного поля (циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром) произведение тока в единичном витке на количество витков в дросселе численно равно произведению напряженности магнитного поля в магнитопроводе на его длину (типа «магнитному напряжению»):

Напряженность магнитного поля связана с индукцией магнитного поля:

Подставляя выражение для эффективной магнитной проницаемости μ_eff, получаем:

Из полученного соотношения видно, что максимальный ток дросселя возрастает с ростом немагнитного зазора, эффективной длины магнитопровода, максимально допустимой индукции материала, обратно пропорционально числу витков. Кажущийся очевидный парадокс заключается в том, что максимальный ток дросселя не зависит от площади сечения магнитопровода. Физически парадокс объясняется тем, что ферромагнитный сердечник является хорошим проводником магнитного поля и все падение напряженности магнитного поля приходится на немагнитный зазор.

Тем не менее, существует два основных способа увеличения максимального тока дросселя без насыщения магнитопровода – или «за счет феррита» или «за счет меди»:

Способ увеличения номинального тока дросселя при сохранении «за счет феррита» состоит в уменьшении числа витков N при одновременном увеличении площади сечения магнитопровода S, с тем чтобы индуктивность дросселя L оставалась постоянной;

Способ увеличения номинального тока дросселя «за счет меди» заключается во введении в магнитопровод магнитного зазора l_g и увеличении числа витков N с тем чтобы компенсировать уменьшение индуктивности.

На практике задача проектирования дросселя всегда является задачей оптимизации и поиска компромиссов с целью нахождения оптимальных массо-, габаритно-, экономично-, технологично-, -«и т.д.» параметров. Важно при этом обеспечить два условия:

тепловой режим дросселя должен находиться в разумных пределах (не более 80-100 °С);

окно магнитопровода должно быть максимально заполнено медью. При этом достигаются оптимальные массогабаритные параметры и из магнитопровода выжимается «экономический максимум».

Для создания немагнитного зазора используют термостойкие и не хладотекучие материалы – например, плотную бумагу, электрокартон, стеклотекстолит, полиимид (он же термоскотч). Фторопласт, полиэтилен, ПВХ не подходит, так как со временем они проявляют свойства хладотекучести и размягчаются под действием нагрева магнитопровода и зазор уменьшается.

Влияние немагнитного зазора на максимальную энергию дросселя

Подставляя полученные выражения учитывающие зазор в формулу для максимальной энергии, запасаемой дросселем, получаем:

Из данных соотношений видно, что энергия, которую можно запасти в дросселе с зазором увеличивается (на величину обратно пропорциональную уменьшению эффективной магнитной проницаемости).

Расчет числа витков в обмотке с учетом зазора

Для дросселей с зазором в магнитопроводе индуктивность определяется по формуле:

μ₀ – магнитная постоянная, 1,25663 · 10 -6 Гн/м;

N – число витков обмотки;

S_c – сечение магнитопровода;

l_av – эффективная длина средней линии магнитопровода;

μ_eff – магнитная проницаемость материала сердечника с зазором.

Отсюда можно получить выражение для расчета числа витков:

В случае использования магнитопровода с интегрированным зазором для расчета числа витков целесообразно использовать значение индуктивности единичного витка для данного магнитопровода A_L величина которой указывается в справочных листках.

В этом случае число витков соответственно:

A_L — индуктивность единичного витка;

L – требуемая величина индуктивности.

Величина индукции в магнитопроводе с введенным зазором равна:

Расчет по соотношению:

дает аналогичный результат.

В datasheet-ах [Ferrites and Accessories – EPCOS Data Book 2013. EPCOS AG. ferrites-and-accessories-data-book-130501.pdf], как правило, указывают индивидуальные для каждого магнитопровода коэффициенты K1 и K2 используя которые можно вычислить необходимую величину зазора для получения нужной величины индуктивности единичного витка A_L:

K1 и K2 – коэффициенты, индивидуальные для каждого магнитопровода;

A_L — индуктивность единичного витка.

Явление «выпучивания» поля из немагнитного зазора

Как было показано выше введение немагнитного зазора приводит к уменьшению эффективной магнитной проницаемости. Физически это обусловлено тем, что в магнитную цепь магнитопровода обладающего малым «магнитным сопротивляемся» вносится участок с большим магнитным сопротивлением – немагнитный зазор. Добавляем в бочку меда ложку дегтя J. Во всех приведенных выше соотношениях принято допущение, что магнитное сопротивление зазора линейно возрастает с увеличением его длины. На практике это не совсем так. Дело в том, что с ростом длины немагнитного зазора линии магнитного поля «выпучиваются» (fringing) наружу и эффективная площадь магнитного поля зазора становится больше площади поперечного сечения магнитопровода (рисунок L.4).

Рисунок L.4 — «Выпучивание» линий магнитного поля из немагнитного зазора

В соответствии с [Magnetics Design Handbook from TI by Lloyd H. Dixon. Section 5. Inductor and Flyback. Transformer Design. Texas Instruments. 2001. http://www.ti.com/lit/ml/slup127/slup127.pdf] эффективная площадь магнитного полявычисляется:

Для магнитопроводов с прямоугольным сечением:

S_{c_gap} – эффективная площадь охватываемая линями магнитного поля зазора;

a_m, b_m – геометрические размеры магнитопровода вблизи зазора (ширина, глубина);

l_g – длина немагнитного зазора.

И с учетом, что площадь сечения магнитопровода определяется как:

Можно ввести так называемый корректирующий фактор:

Для магнитопроводов с круглым сечением:

S_{c_gap} – эффективная площадь охватываемая линями магнитного поля зазора;

D – диаметр поперечного сечения магнитопровода вблизи зазора;

l_g – длина немагнитного зазора.

И с учетом, что площадь сечения магнитопровода определяется как:

И корректирующий фактор определяется выражением:

В случае если в магнитную линию магнитопровода введено два зазора, что характерно для магнитопроводов состоящих из двух половинок (Ш-, П- чашеобразные) то:

используемое в расчетах значение немагнитного зазора делится на два:

результирующее значение корректирующего фактора рассчитывается как произведение корректирующих факторов от каждого из зазоров:

В работе [Colonel Wm. T. McLyman. Transformer and Inductor Design Handbook, Third Edition. CRC Press. 2004. Chapter 13. Flyback Converter, Transformer Design] корректирующий факторпредлагается вычислить по соотношению:

S_c – площадь сечения магнитопровода;

l_g – длина немагнитного зазора (используется значение l_g даже если зазор разделен на два);

h_cm — высота каркаса магнитопровода.

Расчеты по данной формуле в целом хорошо коррелируют с результатами расчетов по приведенной выше методике.

Поскольку в магнитопроводе с зазором эффективная площадь поперечного сечения в зазоре увеличивается, то это приводит к увеличению индуктивности дросселя L на коэффициент F_{c_gap}:

Это можно представить как увеличение эффективной магнитной проницаемости на коэффициент F_{c_gap} при прочих равных и неизменных параметрах.

Увеличение эффективной магнитной проницаемости приводит к снижению максимального тока:

Резюме: явление «выпучивания» магнитного поля с одной стороны приводит к увеличению индуктивности дросселя по сравнению с рассчитанным значением, с другой стороны приводит к уменьшению максимального тока. При расчетах дросселя с большими величинами немагнитного зазора необходимо обязательно учитывать явление выпучивания поля и вносить поправки в расчет. Методика коррекции расчета немагнитного зазора следующая:

рассчитывается целевое значение эффективной магнитной проницаемости µ_eff ;

рассчитывается величина немагнитного зазора l_g на основе целевого значения µ_eff ;

рассчитывается величина корректирующего фактора F_{c_gap} для полученного ранее значения немагнитного зазора l_g;

осуществляется итерационный выбор величины немагнитного зазора l_g

на основании полученного l_g * рассчитывается новая величина корректирующего фактораF_{c_gap} * :

на основании полученного l_g * рассчитывается новое значение эффективной магнитной проницаемости µ_eff * :

вычисляется произведение полученных величин F_{c_gap} * и µ_eff * и сравнивается с целевым значением магнитной проницаемости µ_eff:

∆_L – допустимая погрешность отклонения от заданной величины индуктивности (5%, 10%, 20 % и т.д.).

Если полученное произведение укладывается в рамки допустимого отклонения ∆_L, то соответствующее значение l_g * принимается в качестве конструктивного параметра реально вводимого немагнитного зазора, если нет – изменяют в ту или иную сторону l_g * и повторяют действия, начиная со второго. Так итерационно подбирают значение l_g * для обеспечения заданного значения эффективной магнитной проницаемости.

Если полученное значение F_{c_gap} превышает 2, то рекомендуется выбрать магнитопровод больших габаритов и повторить расчет, поскольку, во первых начинает появляться сильная нелинейность зависимости S_{c_gap} от l_g, во вторых при больших величинах зазора часть витков обмотки не полностью охватывается магнитным потоком, в третьих значительно возрастает уровень электромагнитных помех вблизи дросселя, что ухудшает проблемы электромагнитной совместимости.

Представленная выше методика хоть и является достаточно универсальной, но она требует достаточно большого числа вычислений. При использовании стандартных магнитопроводов лучше и точнее использовать данные в datasheet-ах аппроксиационные соотношения, связывающие «индуктивность на виток» A_L – и величину введенного немагнитного зазора l_g.

В datasheet-ах [Ferrites and Accessories – EPCOS Data Book 2013. EPCOS AG. ferrites-and-accessories-data-book-130501.pdf], как правило, указывают индивидуальные для каждого магнитопровода коэффициенты K1 и K2 используя которые можно вычислить необходимую величину зазора для получения нужной величины индуктивности единичного витка A_L:

K1 и K2 – коэффициенты, индивидуальные для каждого магнитопровода;

l_g – (мм) длина немагнитного зазора (суммарное значение если зазора два);

A_{L_gap} — (нГн) индуктивность единичного витка магнитопровода с зазором.

Индивидуальные для каждого типа магнитопровода коэффициенты K1 и K2 уже учитывают явление «выпучивания» магнитного потока. Поэтому данным соотношением целесообразно пользоваться.

При практических расчетах необходимо вычислить величину вводимого немагнитного зазора l_g на основе заданного значения эффективной магнитной проницаемости μ_eff. Выведем соотношение для данных вычислений.

Выражение для индуктивности единичного витка A_Lмагнитопровода без зазора имеет вид:

μ — магнитная проницаемость магнитопровода без зазора.

Выражение для индуктивности единичного витка A_{L_gap} магнитопровода с зазоромимеет вид:

μ_eff — эффективная магнитная проницаемость магнитопровода с зазором.

Отношение представленных индуктивностей единичного витка равно отношению магнитных проницаемостей:

Отсюда можно вывести выражение связывающее индуктивность единичного витка A_{L_gap}магнитопровода с зазором с эффективной магнитная проницаемостью данного магнитопровода:

Методика расчета параметров дросселя

Исходными данными для расчета параметров дросселя являются:

величина индуктивности L;

максимальный рабочий ток I_max;

среднеквадратичное значение тока I_rms (максимальное значение);

рабочая частота f;

допустимый суммарный уровень тепловых потерь P_{total_loss} ;

максимальное омическое сопротивление обмотки R.

Индуктивность дросселя, зависит от квадрата числа витков, площади сечения сердечника, длины сердечника и немагнитного зазора:

µ₀ – магнитная постоянная;

µ_eff – эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором;

S – площадь сечения магнитопровода;

l_av – эффективная длина магнитопровода;

N – число витков.

В справочных листках на магнитопроводы кроме габаритных параметров (A_e – площадь поперечного сечения сердечника, A_min – площадь окна магнитопровода, l_e – длина магнитопровода) часто приводят параметр A_L – индуктивность единичного витка.

Если в справочном листке на магнитопровод дана информация об индуктивности единичного витка, то индуктивность дросселя рассчитывается по простой формуле:

A_L – индуктивность единичного витка;

N – число витков в обмотке.

Практически важным для расчетов является значение A_L для магнитопроводов с интегрированным зазором.

Соответственно для расчета числа витков N необходимых для получения заданной величины индуктивности L на магнитопроводе с известной индуктивностью единичного витка A_Lиспользуют соотношение:

Максимальное значение тока

В соответствии с теоремой о циркуляции вектора напряженности магнитного поля (циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром) произведение тока в единичном витке на количество витков в дросселе численно равно произведению напряженности магнитного поля в магнитопроводе на его длину (типа «магнитному напряжению»):

Напряженность магнитного поля связана с индукцией магнитного поля:

Откуда следует выражение для максимального рабочего тока дросселя:

B_max – максимальная индукция в магнитопроводе;

µ₀ – магнитная постоянная;

µ_eff – эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором;

l_av – эффективная длина магнитопровода;

N – число витков.

Оптимальное проектирование силового дросселя

Оптимальное проектирование по критерию максимального использования магнитопровода заключается в том, чтобы спроектировать дроссель таким образом, чтобы обеспечить максимальное использование возможностей содержания («феррита» магнитопровода) при одновременно максимальном использовании возможностей формы (геометрии магнитопровода). Наглядно эту философию иллюстрирует рисунок L.5.

Рисунок L.5 — К определению критерия максимального использования магнитопровода

Максимальные возможности «феррита» магнитопровода определяются либо потерями, которые характеризуются энергоовыделением в магнитопроводе, либо индукцией насыщения B_sat. Потери зависят от размаха индукции ΔB и частоты f. В работе [Magnetics Design Handbook from TI by Lloyd H. Dixon. Section 5. Inductor and Flyback. Transformer Design. Texas Instruments. 2001. http://www.ti.com/lit/ml/slup127/slup127.pdf] принято, что максимальный уровень потерь в магнитопроводе составляет 0,1 Вт/см 3 . Индукция насыщения B_satбольшинства ферритов не превышает 0,3 Тл.

Максимальные возможности геометрии магнитопровода прежде всего определяются возможностями размещения в окне магнитопровода проводников обмотки. Условие максимального использования окна состоит в максимально полной «набивке» окна магнитопровода при выполнении условия максимальной плотности тока в обмотке. В той жеработе [Magnetics Design Handbook from TI by Lloyd H. Dixon. Section 5. Inductor and Flyback. Transformer Design. Texas Instruments. 2001. http://www.ti.com/lit/ml/slup127/slup127.pdf] принято, что максимальный уровень плотности тока для условий конвективного охлаждения составляет 4,2 А/см 2 .

На практике, необходимо просчитывать каждый конкретный случай геометрии и условий охлаждения сердечника. При этом критерий максимального использования магнитопровода не всегда является оптимальным экономически, но это весьма хорошее приближение.

При проектировании силового дросселя важно помнить, что потери в ферритовом сердечнике растут с увеличением размаха индукции ΔB нелинейно. То есть если размах индукции ΔB возрастает в 2 раза то потери могут вырасти, к примеру, в 10 раз. Таким образом, для уменьшения потерь в магнитопроводе не стоит гнаться за достижением максимально допустимого ΔB. С другой стороны при увеличении площади заполнения окна магнитопровода обмоткой при увеличении числа витков и одновременном увеличении немагнитного зазора (чтобы L не изменилась) потери возрастают линейно. Это означает, что зачастую целесообразно использовать «под завязку» все окно магнитопровода и ввести такой немагнитный зазор, какой необходимо для обеспечения заданного значения индуктивности L. При таком подходе потери будут уменьшены, но стоимость изделия возрастет.

Подробное описание методики выбора конструктивных элементов дросселя – магнитопровода, обмоток (типы и сравнительная характеристика геометрии магнитопроводов, типы и характеристики ферритов для импульсных источников питания, конструктивные особенности обмоток) даны в разделе «Трансформатор»).

Габаритный параметр силового дросселя. Вывод соотношения

Для определения «масштаба бедствия», то есть ориентировочных габаритов необходимого магнитопровода необходимо рассчитать габаритный параметр дросселя – произведение ширины окна и сечения магнитопровода S₀S_С. Выведем соотношение для расчета S₀S_С.

Площадь окна магнитопровода S₀

Площадь окна магнитопровода, занимаемая медью обмоток составляет:

N – число витков в обмотке;

S_{wire_Cu} – площадь сечения провода обмотки «по меди».

Плотность тока в проводнике обмотки определяется как отношение тока I в нем к площади сечения:

Максимальное значение плотности тока в обмотке ограничивается её омическим нагревом, величина которого определяется среднеквадратичным значением тока через обмотку I_rms:

Отсюда можно выразить площадь сечения провода через отношение тока через провод к максимальной плотности тока j_max в нем:

Подставляя это выражение в выражение для площади окна магнитопровода занимаемой медью, получаем соотношение для площади, занимаемой медью обмоток:

Среднеквадратичное значение тока определяется формой импульсов тока через обмотку.

Отношение площади занимаемой проводниками обмоток к общей площади окна магнитопровода называют коэффициентом заполнения окна k₀ :

S₀ – общая площадь окна сердечника;

S_w – часть площади окна сердечника заполненную проводниками обмоток.

Таким образом, можно получить выражение для общей площади окна, в которой размещена обмотка дросселя:

Из выражения также следует соотношение для максимального числа витков N_max, которые физически можно «втиснуть» в окно манитопровода:

S₀ – общая площадь окна сердечника;

k₀ – коэффициентом заполнения окна;

j_max — максимальная плотность тока (значение на постоянном токе);

I_rms – среднеквадратичное значение тока, которое определяет тепловые потери.

Площадь сечения магнитопровода S_С

По определению индуктивность есть коэффициент пропорциональность между потокосцеплением (суммой магнитных потоков всех витков) и током:

Магнитный поток витка есть произведение магнитной индукции на площадь поперечного сечения магнитопровода:

Откуда следует выражение для площади сечения магнитопровода S_С:

В перечисленных соотношениях соотношении подразумевается одномоментное значение тока. При этом максимальное значение тока I_max будет соответствовать максимальному значению индукции в магнитопроводе B_max:

I_max – максимальное значение тока обмотки дросселя.

L – индуктивность дросселя;

B_max – максимальная индукция в магнитопроводе;

N – число витков.

Габаритный параметр дросселя S₀S_С

Перемножая соотношения для S₀ и S_С, получаем:

k₀ — коэффициент заполнения окна магнитопровода равный отношению площади занимаемой проводниками обмоток к общей площади окна магнитопровода.

j_max – максимальное значение плотности тока в проводнике;

B_max — максимальное значение индукции в магнитопроводе;

I_max – максимальное значение тока через дроссель;

L – индуктивность дросселя.

Система из четырех уравнений – «четыре кита» для расчета силового дросселя

Итого для расчета дросселя мы имеем систему из четырех уравнений с пятью неизвестными:

Эта система имеет бесконечное число взаимозависимых решений. В реальности решения «квантованы», что определяется прежде всего фиксированными размерами магнитопровода. Непосредственный расчет конструкции дросселя осуществляется с использованием данных уравнений в строгой последовательности.

На основе расcчитанного значения габаритного параметра S_cS₀ можно определить конкретный трансформатор с конкретными S_c, S₀, l, µ. Вопрос в том какой должна быть эффективная магнитная проницаемость магнитопровода µ_eff, на основании значения которой рассчитывается вводимый зазор и каким должно быть число витков N. С одной стороны эффективная магнитная проницаемость µ_eff и число витков N входят в формулу для индуктивности дросселя, с другой – в соотношение для его максимального тока. Выразим из данных соотношений µ_eff :

Приравнивая полученные выражения:

Получим выражение для числа витков дросселя:

Если полученное значение для числа витков N меньше значения максимального числа витков N_max умещаемых в окне магнитопровода:

то расчет можно продолжить. Если нет, то нужно выбрать магнитопровод покрупнее.

Эффективную магнитную проницаемость магнитопровода µ_eff можно найти, подставляя полученное число витков в полученное выше выражение:

Основные соотношения расчета конструкции силового дросселя

Конструктивный расчет является важной составляющей всего расчета дросселя, так как только после выполнения расчета конструкции можно корректно рассчитать все паразитные параметры трансформатора, определить его тепловой режим и в конечном итоге спроектировать надежный источник питания.

Расчет конструктивных особенностей силового дросселя во многом определяется типом магнитопровода. Порядок расчета значительным образом отличается для магнитопровода с цилиндрической обмоткой (Ш-, П-образный, чашкообразный) и обмоткой тороидальной (тор, кольцо).

Параметры обмоточного провода

Площадь поперечного сечения провода обмотки S_{wire_Cu} рассчитывается по соотношению, связывающему заданную максимальную плотность тока в обмотке j_max и максимальное значение тока I_max:

Более корректно было бы учитывать не максимальное, а среднеквадратичное значение, но на практике в большинстве случаев такое упрощение не существенно влияет на результат. Тем более, что плотность тока выбирается ориентировочно. В дальнейшем выполняется точное вычисление рассеиваемой мощности и по необходимости вносятся коррективы в конструкцию.

Исходя из вычисленного значения площади S_{wire_Cu} рассчитывают диаметр проводов обмотки (по меди) исходя их соотношения, связывающего площадь с диаметром:

Однако полученное значение почти наверняка точно не совпадет с характеристиками выпускаемых обмоточных проводов. Поэтому на основании вычисленного диаметра провода (по меди) выбирается ближайший диаметр провода (по меди) из номенклатуры диаметров выбранного типа провода (ПЭЛ, ПЭТВ и т.д.). Округление производится в большую сторону.

В соответствии со справочным листком на моточные провода определяется диаметр с изоляцией выбранного типа обмоточного провода d_{w_ins} :

Диаметр провода в изоляции, является одним из базовых параметров и учитывается при расчете числа витков в одном слое, проверки условия размещения обмоток в окне магнитопровода и т.д.

Средняя длина витка обмотки дросселя

Средняя длина витка обмотки l_{w_t_av} определяется исходя из геометрических соображений как среднее арифметическое между длинами первого l_{w_first}, и последнего витка l_{w_last} обмотки:

Ниже представлены соотношения для расчета средней длины витка для различных типов магнитопроводов.

Ш- и П- образные магнитопроводы

Для Ш- и П- образных магнитопроводов с прямоугольным сечением магнитопроводасредняя длина витка оценивается исходя из конфигурации магнитопровода (рисунок L.6).

Рисунок L.6 К определению средней длины витка для Ш- и П- образных магнитопроводов

Длина внешнего витка обмотки l_{w_last} (без учета закруглений) равна:

Длина внутреннего витка обмотки l_{w_first} равна:

a, b – геометрические параметры, характеризующие сечение каркаса магнитопровода;

t_w – толщина обмотки.

В первом приближении толщину обмотки t_w можно посчитать исходя из соотношения учитывающее число слоев и толщину провода (здесь не учитывается межслоевая изоляция и плотность намотки):

ceiling — функция округления до большего целого;

hl_av – средняя ширина намоточного слоя, для Ш- и П- образных магнитопроводовопределяется высотой каркаса магнитопровода h_cm.

N_w – число витков в обмотке;

k_{w_l} – коэффициент укладки (laying) обмотки, зависящий от толщины провода (таблица L.1).

Таблица L.1 — Коэффициент укладки в зависимости от диаметра провода для трансформаторов кольцевой конструкции [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с.]

Видео:Насышения Феррита в зависимости от частотыСкачать

Расчет импульсного трансформатора для двухтактного преобразователя и согласующих устройств

Видео:Как узнать эффективную магнитную проницаемость ферритового сердечникаСкачать

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, см2 ; So — площадь окна сердечника, см2; 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:

n = ( 0,25⋅104 Um ) / ( f Bm Sc ) (3)

Плотность тока в обмотке j для трансформаторов мощностью до 300 Вт принимаем 3..5 А/мм2 (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 см2 Площадь окна: So=( d / 2 )2 π = ( 1,6 / 2 )2 π = 2 см2

Габаритная мощность: Pгаб = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 103 ⋅ 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 ⋅104 ⋅ 141 / ( 30 ⋅ 103 ⋅ 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 выбираем 5 А/мм2. Тогда диаметр провода по меди: d = 1,13 ⋅ ( 0,4 / 5 )1/2 = 0,31 мм

Видео:Ферритовые сердечники из Китая и ПромэлектроникиСкачать

Простой импульсный блок питания на IR2153

Самодельный импульсный источник питания — полумост на специализированной микросхеме IR2153 на 120 — 150 Вт

Часто начинающие радиолюбители опасаются связываться с конструированием импульсных источников питания полагая, что это очень сложно. тем не менее, используя доступные современные специализированные микросхемы можно очень быстро и относительно легко построить простой ИБП на различные напряжения и мощности, который можно с успехом использовать для питания различных радиолюбительских конструкций.

Микросхема IR2153 представляет собой высоковольтный драйвер с встроенным генератором, аналогичным по структуре типовому генератору на таймере 555. Микросхема выпускается в 8-выводном корпусе типа DIP-8 или SOIC-8

Заказать микросхему IR2153 на Алиэкспресс

Типовая схема включения микросхемы приведена на рисунке ниже. (схема взята из документации на IR2153):

Функции выводов микросхемы: 1 — VCC — Напряжение питание логики и внутреннего драйвера 2 — Rt — Времязадающий резистор 3 — Ct — Времязадающий конденсатор 4 — COM — Земля 5 — LO — Выход драйвера верхнего уровня 6 — Vs — Возврат плавающего источника питания верхнего уровня 7 — HO — Выход драйвера нижнего уровня 8 — Vb — Плавающий источник питания ключей верхнего уровня

Частота преобразования, на которой работает блок питания на IR2153, определяется резистором, включенным между выводами RT(2) и CT(3) и конденсатором, включенным между выводом CT(3) и общим проводом COM(4). Номиналы этих элементов можно определить, воспользовавшись специальной таблицей на рисунке ниже (нажмите чтобы увеличить):

Слева по оси Y видим значения частоты, внизу на оси X — значения сопротивления резистора RT. Кривые на графике соответствуют шести фиксированным значениям емкости конденсатора CT. Допустим у нас конденсатор емкостью 1000 пФ, смотрим что для этого с резистором сопротивлением 1 кОм частота преобразования будет около 80 кГц.

Предлагаемый блок питания обеспечивает нагрузочный ток около 3A при выходном напряжении около 12..50 В. Выходное напряжение можно легко изменить, изменив количество витков вторичной обмотки импульсного трансформатора. Как рассчитать трансформатор будет описано ниже. Подобный блок питания я успешно использовал совместно со звуковым стереофоническим усилителем мощности на двух микросхемах микросхемах TDA2050. Также можно использовать в гитарном комбо-усилителе с усилителем на тех же TDA2050 или для питания каких — то других устройств с похожими потребностями.

Схема блока питания приведена на рисунке ниже (кликните чтобы увеличить):

Преимущество этой схемы — она крайне проста и содержит минимум деталей. Недостатки — отсутствие стабилизации выходного напряжения и цепей защиты. О деталях. Термистор NTC1 установлен последовательно с входом устройства и служит для уменьшения броска тока в момент включения блока питания. Сопротивление термистора при комнатной температуре — в районе 3 Ом. Бросок тока при включении блока в сеть 230 вольт возникает в момент заряда сглаживающего конденсатора C3. Терморезистор можно выпаять из платы старого компьютерного блока питания, как впрочем и некоторые другие компоненты этой схемы. Поэтому не выбрасывайте старые компьютерные блоки, из них можно добыть много полезного для радиолюбительской практики. В принципе, терморезистор можно исключить из схемы, заменив его постоянным резистором мощностью пару ватт и сопротивлением 3-5 Ом. Можно применить термистор типа NTC 5D-9 или других типов с подходящими параметрами, например вот эти с Алиэкспресс.

Предохранитель F1 удалять из схемы крайне нежелательно.

Компоненты С1, L1 и C2 образуют сетевой фильтр, который предотвращает проникновение высокочастотных помех от нашего блока в сеть 230 В. Конденсаторы C1 и C2 должны быть рассчитаны на напряжение не менее 250..275 вольт. На работу блока питания сетевой фильтр не оказывает влияния, а служит для защиты питающей сети. Этот узел можно исключить, а обмотки катушки на плате заменить перемычками.

Диодный мост D1 служит для выпрямления переменного напряжения 230 вольт, поэтому нужно применить мостик с соответствующими параметрами, например типа KBP307 рассчитанный на ток до 3A при напряжении до 1000V.

резистор R1 — гасящий, через него течет ток питания микросхемы. Нужно применить резистор мощностью не менее 2 ватт. резисторы R3 и R4 в цепях затворов ключевых транзисторов могут иметь номинал от 15 до 33 Ом. Ключевые транзисторы можно использовать любые на подходящую мощность и напряжение не менее 600 вольт. Отлично подойдут распространенные IRF840. Для увеличения надежности блока, а также если вы захотите увеличить мощность, ключевые транзисторы желательно установить на радиаторы.

Самой ответственной деталью является импульсный трансформатор. Его можно намотать, например, на кольцевом сердечнике от электронного трансформатора, на популярном среди радиолюбителей советском ферритовом кольце с проницаемостью 2000, а можно использовать трансформатор от компьютерного блока питания. В зависимости от нужного напряжения на выходе, такой трансформатор можно использовать без переделки. На рисунке ниже показана схема такого трансформатора и его внешний вид

Если нужно большее напряжение то придется разобрать трансформатор и перемотать вторичную обмотку. Разобрать такой трансформатор не всегда получится без его повреждения, поэтому в таком случае лучше намотать трансформатор самому, например, на ферритовом кольце. Для полумолстовой схемы в сердечнике трансформатора не требуется зазор, что упрощает задачу изготовления трансформатора в домашних условиях.

Расчет импульсного трансформатора

Предположим что мы хотим использовать самодельный трансформатор на основе советского ферритового кольца. Прежде всего нам нужно скачать программу для расчета. Будем использовать бесплатную программу Lite-CalcIT.

Программа очень маленькая и не нуждается в какой-либо инсталляции. Просто скачиваем архив по ссылке, разархивируем файлы программы в какую-нибудь папку и запускаем (можно запускать с флэшки).

Предположим что у нас есть ферритовое кольцо российского производства типа М2000НМ, с размерами 40х25х11. Я хочу получить на выходе выпрямителя постоянное напряжение 40 вольт и мощность нагрузки 120 вт. При этом у меня в наличии только провод диаметром 0.5 мм.

В окне программы справа вверху нажимаем кнопку «Выбор Сердечника»

Открывается дополнительное окно в котором выбираем следующие параметры:

включаем радиокнопку «Форма» — R (кольцо), в верхнем выпадающем списке выберем R 40,0/25,0/11,0 2000НМ Россия, дальше в списке «материал» выбираем 2000НМ Россия После этого нажимаем на кнопку Применить. Если появляется окно предупреждения то игнорируем его, так как мы еще не ввели правильные параметры обмоток трансформатора. В основном окне программы задаем следующие параметры:

Схема преобразования: Выбираем Полумостовая.

Схема преобразования: Выбираем Полумостовая.

Напряжение питания: постоянное. Минимальное: 266 В. Номинальное: 295 В. Максимальное: 325 В. Тип контроллера: IR2153. Частота генерации 41 кГц. Стабилизации выходов – нет. Принудительное охлаждение – нет.

Для вторичной обмотки выбираем: Номинальное напряжение = 40 В. Номинальная мощность = 120 Вт. Диаметр провода указываем 0.5мм. Для первичной обмотки также укажем диаметр провода = 0.5мм

Схему выпрямления выбираем типа 1.

У нас все готово и теперь нажимаем на кнопку Рассчитать! В правой половине окна читаем данные нашего импульсного трансформатора.

• Габаритная мощность трансформатора = 348.7 Вт,
• Потребляемая нагрузкой мощность = 123.2 Вт,
• Коэффициент заполнения окна = 0.116,
• Число витков первичной обмотки = 70,
• Диаметр провода первичной обмотки = 0.5, намотка в один провод,
• Число витков вторичной обмотки = 22 + 22 (у нас обмотка из 2 частей, с отводом от середины),
• Диаметр провода вторичной обмотки = 0.5, намотка в ТРИ провода

Окно программы будет выглядеть вот так (кликните чтобы увеличить):

Как видим, размеры кольца более чем достаточны для наших целей. Перед намоткой трансформатора берем наждачную бумагу или надфиль и слегка притупляем острые грани ферритового кольца, чтобы при плотной намотке они не повредили изоляцию обмотки.

Наматываем на кольцо один слой изоленты или фторопластовой ленты, после чего наматываем 70 витков первичной обмотки, равномерно распределяя провод по кольцу.

После намотки первичной обмотки изолируем ее сверху, наматывая пару слоев изоленты (малярного скотча, фторопластовой лены, и т.д.) и сверху наматываем обе части вторичной обмотки по 22 витка каждая. Намотку вторичных обмоток необходимо производить жгутом из трех проводов, диаметром 0.5 мм. также стараемся равномерно распределять провод по кольцу. Это улучшит качество работы трансформатора.

Обычно собранный из исправных деталей блок начинает работать сразу. Первое включение в сеть производим через лампу накаливания мощностью примерно 60 ватт. Включаем лампу последовательно с блоком питания. При первом включении лампа должна вспыхнуть и погаснуть — это зарядился сглаживающий конденсатор. Если лампа горит постоянно, это означает что блок питания неисправен. Может быть замыкание в монтаже либо наличие некачественных деталей. Проверяем монтаж и детали, и включаем снова через лампу. если все хорошо, проверяем наличие выходного напряжения на выходе блока. Имейте в виду, что при включении блока в сеть через лампу накаливания, нагружать его каким-либо серьезным током блок нельзя. Если блок работает, можно попробовать включить его напрямую в сеть и проверить как он держит нагрузку. Если блок периодически запускается и сразу выключается, это может означать нехватку напряжения питания микросхемы IR2153, в таком случае можно немного уменьшить сопротивление резистора R1

При работе с импульсными блоками питания соблюдайте осторожность. На элементах схемы присутствует опасное для жизни напряжение!

Видео:Ферритовые сердечникиСкачать

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:
Таблица 1

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/мм2 [3].

Видео:Расчет магнитной проницаемости сердечниковСкачать

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 n2 / la (5)

Где площадь Sсдана в м2, средняя длина магнитной линии la в м, индуктивность в Гн, μ0 = 4π ⋅ 10-7 Гн/м — магнитная постоянная.

В инженерном варианте эта формула выглядит так:

L = AL n2 (5А) , n = ( L / AL )1/2 (5Б)

Коэффициент AL и параметр мощности Sо Sc для некоторых типов колец приведены в Таблице 2 [4,5,6]:
Таблица 2. Параметры колец с μ = 1000

Для работы трансформатора в качестве согласующего устройства должно выполняться условие:

L > ( 4 .. 10 ) R / ( 2 π fmin ) (6)

Где L — индуктивность в Гн, R = U2эфф / Pн приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки Ом, fmin — минимальная частота Гц.

В ключевых преобразователях в первичной обмотке текут два тока, прямоугольный ток нагрузки Iпр = Um / R и треугольный ток намагничивания $$ I_T= int_0^ U_1 dt = U_m $$

Для нормальной работы величина треугольной составляющей не должна превышать 10% от прямоугольной, т.е.

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 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 = 1002 / 40 = 250 Ом Площадь поперечного сечения магнитопровода: Sc = 0,54 см2 = 0,54 ⋅ 10 -4 м2 Средняя длина магнитной линии: la = π ( D +d ) / 2 = π ( 2,8+1,6 ) ⋅10 -2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 -2 м Коэффициент индуктивности: AL = 4 π 10-7 2000 0,54 10 -4 / 6,9 10-2 = 1963 нГн / вит2

Минимальная индуктивность первичной обмотки: L = 10 ⋅ 250 / ( 2π ⋅ 3 ⋅ 104 ) = 13,3 мГн Число витков: n = ( 13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6 ) 1/2 = 82 Оно даже меньше, чем рассчитанное ранее nmin = 87. Таким образом, условие достаточной индуктивности выполнено и число витков в обмотке n = 87.

Видео:Ферритовые сердечники для импульсных трансформаторов из КитаяСкачать

Намотка импульсного трансформатора

При намотке импульсных трансформаторов необходимо учитывать особенности этих устройств. В первую очередь следует обращать внимание на равномерное распределение обмотки по всему периметру магнитопровода. В противном случае произойдет значительное снижение мощности устройства, а в некоторых случаях – его выход из строя.

В случае намотки провода своими руками, используется обмотка «виток к витку», выполненная в один слой. Исходя из такой технической характеристики, выполняется и расчет импульсного трансформатора в части определения необходимого количества витков.

Диаметр провода, используемого для обмотки, нужно подобрать таким образом, чтобы весь провод точно уложился в один слой, а количество витков в этом случае будет совпадать с расчетными данными.

Разница между данными калькулятора и результатом, полученным с помощью формулы, может составлять от 10 до 20%, что позволяет делать обмотку, не обращая внимания на точное количество витков.

Для выполнения расчетов существует формула: W = n (D – 10S – 4d) / d, в которой

• W–является количеством витков в первичной обмотке, n – постоянная величина, равная 3,1416,
• D – внутренний диаметр кольца магнитопровода,
• S – толщина изоляционной прокладки,
• d – диаметр изолированного провода.

Максимальный допуск ошибок при вычислениях составляет от -5 до +10% в зависимости от плотности укладки проводов.

Для того чтобы провод не прорезал изоляционную прокладку, да и не повредился сам, желательно притупить острые кромки ферритового сердечника. Но, делать это не обязательно, особенно если провод тонкий или используется надёжная прокладка. То же самое проделываем и с внутренними гранями кольца.

Чтобы предотвратить пробой между первичной обмоткой и сердечником, на кольцо следует намотать изоляционную прокладку.

В качестве изоляционного материала можно выбрать:

• лакоткань,
• стеклолакоткань,
• киперную ленту,
• лавсановую плёнку или даже бумагу.

При намотке крупных колец с использованием провода толще 1-2мм удобно использовать киперную ленту.

киперная лентаИногда, при изготовлении самодельных импульсных трансформаторов, радиолюбители используют фторопластовую ленту – ФУМ, которая применяется в сантехнике.

Работать этой лентой удобно, но фторопласты обладают холодной текучестью, а давление провода в области острых краёв кольца может быть значительным.

Во всяком случае, если Вы собираетесь использовать ленту ФУМ, то проложите по краю кольца полоску электрокартона или обычной бумаги.

При намотке прокладки на кольца небольших размеров очень удобно использовать монтажный крючок.

Монтажный крючок можно изготовить из куска стальной проволоки или велосипедной спицы.

Аккуратно наматываем изолирующую ленту на кольцо так, чтобы каждый очередной виток перехлёстывал предыдущий с наружной стороны кольца. Таким образом, изоляция снаружи кольца становится двухслойной, а внутри – четырёх-пятислойной.

самодельный челнок для намотки трансформаторов

Для намотки первичной обмотки нам понадобится челнок. Его можно легко изготовить из двух отрезков толстой медной проволоки.

Необходимую длину провода обмотки определить совсем просто. Достаточно измерить длину одного витка и перемножить это значение на необходимое количество витков. Небольшой припуск на выводы и погрешность вычисления тоже не помешает.

34(мм) * 120(витков) * 1,1(раз) = 4488(мм)

Если для обмотки используется провод тоньше, чем 0,1мм, то зачистка изоляции при помощи скальпеля может снизить надёжность трансформатора. Изоляцию такого провода лучше удалить при помощи паяльника и таблетки аспирина (ацетилсалициловой кислоты).

При плавлении ацетилсалициловой кислоты выделяются ядовитые пары!

Если для какой-либо обмотки используется провод диаметром менее 0,5мм, то выводы лучше изготовить из многожильного провода. Припаиваем к началу первичной обмотки отрезок многожильного изолированного провода.

Изолируем место пайки небольшим отрезком электрокартона или обыкновенной бумаги толщиной 0,05… 0,1мм.

Наматываем начало обмотки так, чтобы надёжно закрепить место соединения.

Те же самые операции проделываем и с выводом конца обмотки, только на этот раз закрепляем место соединения х/б нитками. Чтобы натяжение нити не ослабло во время завязывания узла, крепим концы нити каплей расплавленной канифоли.

Если для обмотки используется провод толще 0,5мм, то выводы можно сделать этим же проводом. На концы нужно надеть отрезки полихлорвиниловой или другой трубки (кембрика).

Затем выводы вместе с трубкой нужно закрепить х/б нитью.

Если предполагается использовать выпрямитель с нулевой точкой, то можно намотать вторичную обмотку в два провода. Это обеспечит полную симметрию обмоток. Витки вторичных обмоток также должны быть равномерно распределены по периметру сердечника. Особенно это касается наиболее мощных в плане отбора мощности обмоток. Вторичные обмотки, отбирающие небольшую, по сравнению с общей, мощность, можно мотать как попало.

Если под рукой не оказалось провода достаточного сечения, то можно намотать обмотку несколькими проводами, соединёнными параллельно.

Видео: Импульсный трансформатор — Как намотать трансформатор

Видео:Как узнать магнитную проницаемость тороидальных сердечниковСкачать

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 гистрезиса). 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 Вs min. 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.

Основные параметры распространенных ферритов сведены в Таблицу 3.
Таблица 3. Основные параметры некоторых ферритов

Видео:Можно ли использовать разбитый феррит?Скачать

Расчет трансформатора на Ш — образном ферритовом сердечнике.

Здравствуйте уважаемые коллеги!!

Как построить импульсный трансформатор на ферритовом кольце я уже рассказывал в своих уроках здесь. Теперь расскажу как я изготавливаю трансформатор на Ш — образном ферритовом сердечнике. Использую я для этого подходящие по размеру ферриты от старого «советского»оборудования, старых компьютеров, от телевизоров и другой электротехнической аппаратуры, которое у меня в углу валяется «до востребования».

Для ИБП по схеме двухтактного полумостового генератора, напряжение на первичной обмотке трансформатора, согласно схемы составляет 150 вольт, под нагрузкой примем 145 вольт. Вторичная обмотка выполнена по схеме двухполупериодного выпрямления со средней точкой. Смотреть схему

.

Приведу примеры расчета и изготовления трансформаторов для ИБП небольшой мощности 20 — 50 ватт для этой схемы. Трансформаторы такой мощности я применяю в импульсных блоках питания для своих светильников на светодиодах. Схема трансформатора ниже. Необходимо обратить внимание, чтобы сложенный из двух половинок, Ш — сердечник не имел зазора. Магнитопровод с зазором используется только в однотактных ИБП.

Вот два примера расчета типичного трансформатора для различных нужд. В принципе, все трансформаторы на разные мощности имеют одинаковый способ расчета, почти одинаковые диаметры провода и одинаковые способы намотки. Если вам нужен трансформатор для ИБП мощностью до 30 ватт, то это первый пример расчета. Если нужен ИБП мощностью до 60 ватт, то второй пример.

Первый пример.

Выберем из

ферритовых сердечников №17, Ш — образный сердечник Ш7,5×7,5. Площадь сечения среднего стержня Sк = 56 мм.кв. = 0,56 см.кв.Окно Sо = 150 мм.кв. Расчетная мощность 200 ватт.Количество витков на 1 вольт у этого сердечника будет: n = 0,7/Sк = 0,7 / 0,56 = 1,25 витка. Количество витков в первичной обмотке трансформатора будет: w1 = n х 145 = 1,25 х 145 = 181,25. Примем 182 витка. При выборе толщины провода для обмоток, я исходил из таблицы «

».В своем трансформаторе я применил, в первичной обмотке, провод диаметром 0,43 мм. (провод большим диаметром не умещается в окне). Он имеет площадь сечения S = 0.145 мм.кв. Допустимый ток (смотреть в таблице) I = 0,29 A.Мощность первичной обмотки будет: Р = V x I = 145 х 0,29 = 42 ватта. Поверх первичной обмотки необходимо расположить обмотку связи. Она должна выдавать напряжение v3 = 6 вольт. Количество витков ее будет: w3 = n x v3 = 1,25 x 6 = 7,5 витка. Примем 7 витков. Диаметр провода 0,3 — 0,4 мм.Затем мотается вторичная обмотка w2. Количество витков вторичной обмотки зависит от необходимого нам напряжения. Вторичная обмотка, например на 30 вольт, состоит из двух равных полуобмоток, w3-1 и w3-2 ). Ток во вторичной обмотке, с учетом КПД (k=0,95) трансформатора: I = k xР/V = 0,95 x 42 ватта / 30 вольт = 1,33 А ; Подберем провод под этот ток. Я применил провод, нашедшийся у меня в запасе, диаметром 0,6 мм. Его S = 0,28 мм.кв. Допустимый ток каждой из двух полуобмоток I = 0,56 А. Так, как эти две вторичные полуобмотки работают вместе, то общий ток равен 1,12 А, что немного отличается от расчетного тока 1,33 А. Количество витков в каждой полуобмотке для напряжения 30 вольт: w2.1 = w2.2 = n х 30 = 1,25 х 30 = 37,5 вит. Возьмем по 38 витков в каждой полуобмотке.Мощность на выходе трансформатора: Рвых = V x I = 30 В х 1,12 А = 33,6 Ватт, что с учетом потерь в проводе и сердечнике, вполне нормально.

Все обмотки: первичная, вторичная и обмотка связи вполне уместились в окне Sо = 150 мм.кв.

Вторичную обмотку можно таким образом рассчитать на любое напряжение и ток, в пределах заданной мощности.

Второй пример. Теперь поэкспериментируем. Сложим два одинаковых сердечника №17, Ш 7,5 х 7,5 .

При этом площадь поперечного сечения магнитопровода «Sк», увеличится вдвое. Sк = 56 х 2 = 112 мм.кв. или 1,12 см.кв.Площадь окна останется та же «Sо» = 150 мм.кв. Уменьшится показатель n (число витков на 1 вольт). n = 0,7 / Sк = 0,7 /1,12 = 0,63 вит./вольт.Отсюда, количество витков в первичной обмотке трансформатора будет: w1 = n х 145 = 0,63 х 145 = 91,35. Примем 92 витка.

В обмотке обратной связи w3, для 6-ти вольт, будет: w3 = n x v3 = 0,63 х 6 = 3,78 витка. Примем 4 витка. Напряжение вторичной обмотки примем также как и в первом примере равным 30 вольт. Количество витков вторичных полуобмоток, каждая по 30 вольт: w2.1 = w2.2 = n х 30 = 0,63 х 30 = 18,9. Примем по 19 витков.Провод для первичной обмотки я использовал диаметром 0,6 мм. : сечение провода 0,28 мм.кв., ток 0,56 А. С этим проводом мощность первичной обмотки будет: Р1 = V1 x I = 145 В х 0,56 А = 81 Ватт.Вторичную обмотку я мотал проводом диаметром 0,9 мм. 0,636 мм.кв. на ток 1,36 ампера. Для двух полуобмоток ток во вторичной обмотке равен 2,72 ампера.Мощность вторичной обмотки Р2 = V2 x I = 30 x 2,72 = 81,6 ватт. Провод диаметром 0,9 мм. немного великоват, подходит с большим запасом, это не плохо.

Провод для обмоток я применяю из расчета 2 А на миллиметр квадратный (так он меньше греется, и падение напряжения на нем будет меньше), хотя все «заводские» трансформаторы мотают из расчета 3 — 3,5 А на мм.кв. и ставят вентилятор для охлаждения обмоток. Общий вывод из этих расчетов таков: — при сложении двух одинаковых Ш — образных сердечников увеличивается площадь «Sк» в два раза при той же площади окна «Sо». — число витков в обмотках (в сравнении с первым вариантом) изменяется. — первичная обмотка w1 с 182 витков уменьшается до 92 витка; — вторичная обмотка w2 с 38 витков уменьшается до 19 витков.

Это значит, что в том же окне «Sо», с уменьшением количества витков в обмотках, можно разместить более толстый провод обмоток, то есть увеличить реальную мощность трансформатора в два раза.

Я наматывал такой трансформатор, со сложенными сердечниками № 17, изготавливал под них каркас.

Нужно иметь в виду, что трансформаторы, по первому и второму примеру, можно использовать под меньшую нагрузку, вплоть от 0 ватт. ИБП вполне хорошо и стабильно держат напряжение.

Сравните внешний вид трансформаторов: пример-1, c одним сердечником и пример-2, с двумя сложенными сердечниками. Реальные размеры трансформаторов разнятся незначительно.

Анализ ферритовых сердечников №18 и №19 подобен предыдущим примерам. Все наши выполненные расчеты — это теоретические прикидки. На самом деле, получить такие мощности от ИБП на трансформаторах этих размеров довольно сложно. Вступают в силу особенности построения схем самих импульсных блоков питания. Схему .Выходное напряжение (а следовательно и выходная мощность) зависят от многих причин: — емкости сетевого электролитического конденсатора С1, — емкостей С4 и С5, — падения мощности в проводах обмоток и в самом ферритовом сердечнике; — падения мощности на ключевых транзисторах в генераторе и на выходных выпрямительных диодах. Общий коэффициент полезного действия «k» таких импульсных блоков питания около 85%.Этот показатель все же лучше, чем у выпрямителя с трансформатором на стальном сердечнике, где k = 60%. При том, что размеры и вес ИБП на феррите существенно меньше.

Порядок сборки ферритового Ш — трансформатора.

Используется готовый или собирается — изготавливается новый каркас под размеры сердечника. Как изготовить «Каркас для Ш — образного трансформатора» смотрите здесь. Хотя в этой статье и говорится про каркас для трансформатора со стальным сердечником, описание вполне подходит и к нашему случаю. Каркас нужно поставить на деревянную оправку. Намотка трансформатора производится вручную. На каркас сначала мотается первичная обмотка. Виток к витку заполняется первый ряд, затем слой тонкой бумаги, лакоткани, далее второй ряд провода и т.д. На начало и конец провода надевается тонкая ПВХ трубочка (можно изоляцию с монтажного провода) для жесткости провода, чтоб не обломился. Поверх первичной обмотки наносится два слоя бумаги (межобмоточная изоляция), затем нужно намотать витки обмотки связи w3. Обмотка w3 имеет мало витков, а потому ее располагают скраю на каркасе. Затем наносятся витки вторичной обмотки. Здесь желательно поступить таким образом, чтобы витки вторичной обмотки w2 не располагались поверх витков w3. Иначе могут возникнуть сбои в работе импульсного блока питания. Намотка ведется сразу двумя проводами (две полуобмотки), виток к витку в ряд, затем слой бумаги или скотч и второй ряд двух проводов. ПВХ трубку на концы провода можно не надевать, т.к. провод толстый и ломаться не будет. Готовый каркас снимается с оправки и надевается на ферритовый сердечник. Предварительно проверьте сердечник на отсутствие зазора. Если каркас туго одевается на сердечник, будьте очень осторожны, феррит очень легко ломается. Сломанный сердечник можно склеить. Я клею клеем ПВА, с последующей просушкой. Собранный ферритовый трансформатор, для крепости, стягивается по торцу скотчем. Нужно проследить, чтобы торцы половинок сердечника совпали без зазора и сдвига.

Поделиться в соц. сетях

Видео:Расчет тороидального трансформатораСкачать

Насколько нагреется сердечник?

Потери в магнетике.

При частоте менее критической fс потери энергии в магнетике складываются в основном из потерь на перемагничивание, а вихретоковыми можно пренебречь. Опыт и теория показывают, что потери энергии в единице объема ( или массы ) на одном цикле перемагничивания прямо пропорциональны площади петли гистерезиса. Следовательно мощность магнитных потерь:

Где P0 – удельные потери в единице объема ( измеренные на частоте f0 при индукции B0 ) , V – объем образца.
Таблица 4. Удельные объемные потери в ферритах 2500НМС при f0=16кГц , B0=0,2 Тл

Однако с ростом частоты индукция насыщения уменьшается, петля гистерезиса деформируется, а потери растут. Для учета этих факторов Штейнмец (C. P. Steinmetz, 1890-1892) предложил эмпирическую формулу:

PH = P1 ⋅ m ⋅ ( f / f1 ) α ( B / B1) β (9)

Условились [7, Стр.54], что f1 = 1 кГц, B1 = 1 Тл; величины P1, α, β указывают в справочнике.
Таблица 5. Удельные потери в некоторых ферритах

Потери в меди.

Омические потери в первичной обмотке при комнатной температуре и без учета скин-эффекта:
PM1=I2эфф ( ρ / Sm ) ( ( D — d ) + 2h ) ⋅ n1 (10)

Где Iэфф — эффективный ток, D — внешний, d — внутренний диаметр кольца, h — его высота в метрах; n1 — число витков; Sm — поперечное сечение провода, в мм2 ; ρ = 0,018 Ом ⋅ мм2 / м удельное сопротивление меди.

Суммарные потери во всех обмотках при повышенной температуре окружающей среды:

PM = ( PM1 + PM2 + .. )( 1 + 0,004( T-25oC ) ) (11)

Общие потери в трансформаторе.

PΣ = PH + PM (12)
Предполагаемая температура перегрева при естественной конвекции:

ΔT = PΣ / ( αm Sохл ) (13)

Где αm = (10..15) -4 Вт/см2 oС , Sохл = π /2 ( D2 — d2 )+π h ( D + d )

Пример 3:

Найдем потери в трансформаторе из Примеров 1 и 2. Для простоты считаем, что вторичная и первичная обмотка одинаковые. Эффективный ток первичной обмотки Iэфф = 0,4 А. Потери в меди первичной обмотки PM1 = 0,4 2 ⋅ ( 0,018 /0,08 ) ( 28 — 16 + 18 ) ⋅ 10 -3 ⋅ 87 ≈ 0,1 Вт. Потери в меди обеих обмоток: PM = 0,2 Вт.

Согласно справочным данным для феррита 2000НМ P1 = 32 Вт / кг , α = 1,2 , β = 2,4 , масса сердечника К28х16х9 равна 20 грамм. Потери в феррите: PH = 32 ( 30 / 1 ) 1,2 ( 0,25 / 1 ) 2,4 ⋅ 20 ⋅ 10 -3= 1,36 Вт

Суммарные потери в трансформаторе: PΣ = 1,56 Вт. Ориентировочный КПД = ( 40 — 1,56 ) / 40 ⋅ 100% ≈ 96%

Видео:Как узнать магнитную проницаемость сердечникаСкачать

Расчет исходных данных и выбор элементов устройства

В первую очередь необходимо правильно выбрать наиболее подходящий магнитопровод. К универсальным конструкциям относятся броневые сердечники с Ш-образной и чашеобразной конфигурацией. Установка необходимого зазора между частями сердечника делает возможным применение их в любых импульсных блоках питания. Однако, если собирается полумостовой двухтактный преобразователь, можно обойтись обычным кольцевым магнитопроводом. При расчетах необходимо учитывать внешний диаметр кольца (D), внутренний диаметр кольца (d) и высота кольца (Н).

Видео:Сердечники трансформатора-МАГНИТОПРОВОДЫ.Для чего зазор,токи Фуко и другое.Как вообще это работаетСкачать

Как учесть инерционные свойства трансформатора?

На Рис.2. показана T-схема замещения трансформатора . В нее входят сопротивление источника ri , приведенное сопротивление нагрузки R = n2 Rн или R = P н / U2эфф , где n = U1 / U 2 — коэффициент трансформации, Uэфф — эффективное напряжение первичной обмотки.

Рис.2. Эквивалентная схема трансформатора.

Инерционные свойства трансформатора определяют малые индуктивности рассеивания Ls, индуктивность намагничивания Lμ (почти равна индуктивности первичной обмотки L1), параллельная емкость обмотки Сp (т.н. динамическая емкость) и последовательная емкость между обмотками Сп.

Как их оценить?

L1 рассчитывают по формуле (5) или измеряют экспериментально. Согласно [8] индуктивность рассеивания по порядку величины равна Ls

L1 / μ. Емкость Ср составляет примерно 1 пФ на виток.

Трансформатор работает подобно полосовому фильтру. На малых частотах он представляет собой ФВЧ с частотой среза ωн = R / L μ. На высоких частотах элементы Ls и Cp образуют ФНЧ с частотой среза ωв ≈ ( Ls Cp )-1/2. Последовательная емкость Сп не велика и на работу практически не влияет.

В модели есть два характерных резонанса.

Низкочастотный (резонанс намагничивания) в параллельном контуре Lμ Cр Его частота fμ ≈ ( 1/ 2 π ) ⋅ (Lμ Cp )-1/2 , а добротность Qμ ≈ ( ri || R ) ⋅ ( Lμ / Cp)-1/2 (14)

Высокочастотный (резонанс рассеивания) в контуре, образованном Ls и Cр. Его частота fs ≈ ( 1/ 2 π ) ⋅ (Ls Cp )-1/2 , а добротность Qs ≈ ( Ls / Cp)1/2 / ri. (15)

Как влияют эти резонансы?

АЧХ трансформатора подобно АЧХ полосового фильтра, но на ее верхнем краю резонанс fs дает характерный пик. Реакция на импульсы зависит от включения источника и величин сопротивлений. При малом внутреннем сопротивлении источника ri проявляется лишь резонанс fs в виде характерного «звона» на фронтах импульсов. Если источник подключается через ключ, то при его размыкании могут возникать интенсивные колебания с частотой fμ

Рис.3. Пример АЧХ и переходного процесса в трансформаторе. Его эквивалентная схема дана ниже на рисунке 4.

Видео:Как правильно намотать импульсный трансформатор? Обучение.Скачать

Программа расчета импульсного трансформатора

Из всех современных программ для расчета импульсных трансформаторов нашла действительную популярность лишь одна, под названием ExcellentIT.

Данная программа расчета импульсного трансформатора отличается не только простотой в освоении, но и своей функциональностью. Рабочее окно разделено на три зоны, в каждой из которых содержится соответственная информация. В самом первом участке слева необходимо внести начальные данные, которые понадобятся для расчета.

Программа постоянно выдает подсказки в виде всплывающих окон, что очень удобно при начале работы и ознакомлении с данным софтом. Разработчик ПО настоятельно рекомендует ознакомиться с файловым документом, который вложен в основной папке. Там описаны принципы работы программы для расчета импульсного трансформатора, которые помогут быстрее освоиться пользователю и сэкономить массу времени.

Помимо представленного ряда магнитопроводов имеется возможность создавать свои собственные, указав габариты и характеристики, чем не отличается практически ни одна русскоязычная программа. Также при помощи программы можно вычислить потребляемую мощность трансформатора, который рассчитывается, а также потери мощности в магнитопроводе, с учетом его перегрева. Отдельно показывается КПД преобразования, индуктивность обмотки, ток потребления и другие стандартные характеристики.

Магнитопровод можно выбирать не только по типу изготовления, но и по его форме, а также материалу, из которого он изготовлен. Собственно, по таким же параметрам создать можно и своё изделие, с последующим его использованием при расчетах.

Отдельной особенностью программы ExcellentIT будет выбор стандарта проводов, с заданием их размера.

При вводе начальных данных могут возникнуть незначительные трудности, что предусмотрено разработчиком, и поэтому пользователя постоянно сопровождают подсказки.

Программа не требует установки на компьютер и является бесплатной в распространении. Потребуется лишь скачать файл. Разрабатывалась под Windows, но можно использовать и на Linux, при использовании дополнительного ПО.

Стоит обратить внимание, что была выпущена и более упрощенная версия программы под названием Lite-CalcIT, которая не обладает такой функциональностью и точностью расчетов, но упрощает процесс ввода информации и экономит время, при работе с несложными проектами, которые не требуют большой точности расчета и подбора трансформатора.

При возникновении вопросов, всегда можно заглянуть на форумы, где активно обсуждается пользование этой программой, с 2010 года и по сей день. На многие вопросы уже есть ответы, а разработчик программы постоянно помогает всем желающим освоиться в пользовании его продуктом.

Видео:U, I-сердечники EpcosСкачать

Экспериментальное измерение параметров импульсного трансформатора.

Для пробы было взято кольцо из феррита 3000НМ размера К10х6х2. Первичная обмотка составляла 21 виток, вторичная 14, коэффициент трансформации n = 1,5 , сопротивление нагрузки равнялось 4,7 кОм, источником служил генератор прямоугольных импульсов на TTL микросхемах с уровнем 6В, частотой 1 МГц и внутренним сопротивлением ri ≈ 200 Ом.

Рассчитаем теоретические параметры: Sc = 4 ⋅ 10 -6 м2 , la = 25,13 ⋅ 10 -3 м , AL теор = 600 нГн / вит2 , L1теор = 0,6 ⋅ 212 = 265 мкГн , Lsтеор ≈ 265/3000 = 0,09 мкГн , Сp теор ≈ 21+14 = 35 пФ. Приведенное сопротивление нагрузки R = n2 Rн = 2,25 ⋅ 4,7

Результаты измерений индуктивностей прибором АКИП-6107: L1 = 269 мкГн , L2 = 118 мкГн , закоротив вторичную обмотку получим 2Ls = 6,8 мкГн, что на два порядка выше ее теор оценки.

Динамическую емкость Cp можно оценить по формуле (15), подав на трансформатор прямоугольные импульсы и измерив при помощи осциллографа период колебаний «звона» на фронтах импульсов на выходе вторичной обмотки. Частота «звона» fs оказалась 18,5 МГц , что дает Ср ≈ 21 пФ и неплохо согласуется с теор оценкой. Для сравнения с опытом эквивалентная схема с измеренными параметрами моделировалась в программе LT Spice.

Рис.4. Модель трансформатора. Vout — приведенное напряжение, фактическое будет в n раз меньше.

Рис.5. Результаты эксперимента. Масштаб вертикальной шкалы 1 вольт на деление.

Итак, модель, построенная на основе измеренных Lμ , Ls и Cp вполне согласуется с экспериментом. Теоретическая оценка [8] емкости 1 пФ на виток для малых колец приемлема, но оценка индуктивности рассеяния на два порядка расходится с фактической. Ее проще определять на опыте.

Приложение 1. Вывод формулы для числа витков.

При подаче напряжения U на обмотку в ней возникнет ЭДС индукции E: U = -E = n Sc dB / dt

Для синусоидального напряжения с амплитудой Um: Um = n Sc ω Bm

Откуда число витков n = Um / ( Sc ω Bm )

Выразив круговую частоту через обычную, а площадь в см2 получим инженерную формулу: n = 0,16 ⋅104 / ( f Bm Sc )

Для прямоугольного напряжения величиной Um: dB = dt Um / ( n Sc )

Интегрируя по времени от 0 до T/2 и учитывая, что за половину периода поле изменится от -Bm до +Bm получим: 2Bm = ( T / 2) Um / ( n Sc )

Выразив период через частоту, а площадь в см2 получим инженерную формулу: n = 0,25 ⋅104 / ( f Bm Sc )

Она пригодна для обоих случаев.

Приложение 2. Вывод формулы для габаритной мощности трансформатора.

Согласно закону элекромагнитной индукции Фарадея связь напряжения на катушке с изменением магнитной индукции в ней:

За время от 0 до T/2 индукция изменится от -Bm до +Bm, интегрируя в этих пределах получим:

Uср = 4 n Sc Bm f

Но приборы измеряют не среднее, а действующее напряжение, которое эквивалентно постоянному по энергии. Связь среднего и действующего напряжения дает коэффициент формы кф = Uэфф / Uср. Для меандра он равен 1, для синуса 1,11. Отсюда эффективное напряжение на катушке:

Uэфф = 4 кф n Sc Bm f

Габаритную мощность оценим из следующих соображений. Частота f не велика, потери на вихревые токи и перемагничивания малы и мощность ограничена перегревом обмотки. Его определяет максимальная плотность тока j , одинаковая для обоих обмоток. Определим габаритную мощность как полусумму мощностей первичной и вторичной обмоток.

Pгаб = ( P1 + P2 ) / 2 = ( Uэф1 I1 + Uэф2 I2 ) / 2 = j ( S1 n1 + S2 n2 ) 4 кф Sc Bm / 2 где S1 и S2 площади витка первичной и вторичной обмоток.

Это можно записать через площадь меди Sm:

Pгаб = 2 кф f Sc Sm Bm j

Площадь меди связывают с коэффициентом заполнения окна σ = Sm / S0. Сигма это некий эмпирический коэффициент, равен минимум 0,15 для однослойной обмотки и максимум 0,4 для многослойной (больше не поместится). В итоге наша формула имет вид:

Pгаб = 2 кф σ f Sc S0 Bm j

Все величины здесь в СИ.

Допустим, что напряжение имеет форму меандра, кф = 1. Выбирая плотность тока j = 2,2 А / мм2 , коэффициент заплнения σ = 0,15 , выразив площади в см2 , Bm в Тл , часстоту в Гц получим расчетную формулу:

Pгаб = Sc S0 f Bm / 150

Как видно, эта формула выведена с большим запасом, реально можно получить с трансформатора и большую мощность.

Видео:25.4 Основы расчета сетевых трансформаторов.Скачать

Назначение и действие импульсного трансформатора

Импульсные трансформаторы применяются в системах связи и различных автоматических устройствах. Их основной функцией является внесение изменений в амплитуду и полярность импульсов. Основным условием нормальной работы этих устройств считается минимальное искажение передаваемых ими сигналов.

Принцип действия импульсного трансформатора заключается в следующем: при поступлении на его вход прямоугольных импульсов напряжения с определенным значением, в первичной обмотке происходит постепенное возникновение электрического тока и дальнейшее увеличение его силы. Подобное состояние, в свою очередь, приводит к изменению магнитного поля во вторичной обмотке и появлению электродвижущей силы. В этом случае сигнал практически не искажается, а небольшие потери тока ни на что не влияют.

При выходе трансформатора на проектную мощность, обязательно появляется отрицательная часть импульса. Его воздействие вполне возможно сделать минимальным, путем установки во вторичную обмотку простого диода. В результате, в этом месте импульс также максимально приблизится к прямоугольной конфигурации.

Главным отличием импульсного трансформатора от других аналогичных технических систем считается его исключительно ненасыщенный режим работы. Для изготовления магнитопровода применяется специальный сплав, обеспечивающий высокую пропускную способность магнитного поля.

Видео:ФЕРРИТЫ. Фильм 1, Вариант SVA.Скачать

Литература.

1. Косенко С. “Расчёт импульсного трансформатора двухтактного преобразователя” // Радио, №4, 2005, с. 35 — 37, 44.
2. Эраносян С. А.Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991,— 176 с: ил.
3. С. В. Котенёв, А. Н. Евсеев. Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов и дросселей. — М.: Горячая линия-Телеком, 2013. — 359 с.: ил.
4. А. Петров «Индуктивности, дроссели, трансформаторы «// Радиолюбитель, №12, 1995, с.10-11.
5. Михайлова М.М., Филиппов В.В., Муслаков В.П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. — М.: Радио и связь, 1983. — 200 с., ил.
6. Расчетные геометрические параметры кольцевых сердечников.
7. Б.Ю.Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М. : Солон-Р, 2001. — 327 с. : ил
8. Курс лекций «Импульсная техника» для студентов 4-го курса кафедры Радиофизики. Глава 3.

• ↑ Электроника
• ← Тензосигнализатор
• → О работе импульсного обратноходового преобразователя (Flyback)

Видео:Определение количества витков первичной обмотки импульсного трансформатораСкачать

Комментарии

. 30 ноября 2021 года, 19:54. Алексей пишет:

Спасибо, очень доходчиво и полезно.

. 1 декабря 2021 года, 10:59. Андрей пишет:

Пожалуйста

. 25 января 2021 года, 16:03. Францевич пишет:

Грамотно, убедительно и доказательно с правом практического творческого подхода. Проверка на практике совпадала с теорией, что бывает редко. СПАСИБО! С уважением за информацию!

. 26 января 2021 года, 09:28. Андрей пишет:

Пожалуйста

. 1 марта 2021 года, 00:38. Евгений пишет:

В объяснении формулы 6 — ошибка R = Pн / U2эфф дробь перевернуть надо

. 1 марта 2021 года, 08:53. Андрей пишет:

🔥 Видео

Как определить начальную магнитную проницаемость ферритового кольца.Скачать

Зачем ферритовое кольцо на проводах и кабелях?Как это работает.Скачать