Феритни пръстени за импулсни захранвания. Изчисляване на трансформатори на импулсни захранвания

Предназначение и работа на импулсен трансформатор

Изчисляване на изходните данни и избор на елементи на устройството

Намотка на импулсни трансформатори

1. Как да определите броя на завъртанията и мощността?

2. Как да определите плътността на тока?

3. Как да зададете броя на навивките на първичната намотка?

4. Какви ферити могат да се използват и защо?

5. Колко ще се нагрее ядрото?

6. Как да се вземат предвид инерционните свойства на трансформатора?

7. Експериментално измерване на параметрите на импулсен трансформатор.

Литература.

Конструкция (типове) на импулсни трансформатори

Принцип на действие

Изчисляване на импулсен трансформатор

ИЗХОДНИ ДАННИ за изчисляване на трансформатор с тороидална магнитна верига:

Формули и таблици за ръчно изчисляване на трансформатора:

Пример 1:

Пример 2:

магнитни загуби.

Загуби в мед.

Общи загуби в трансформатора.

Пример 3:

Приложение 1. Извеждане на формулата за броя на завоите.

Приложение 2. Извеждане на формулата за общата мощност на трансформатора.

1. Манган-цинкови ферити.

2. Никел-цинкови ферити.

Какви марки ферити са най-интересни за нас?

Как да ги оценим?

Как влияят тези резонанси?

Имаше нужда от мощен блокхранене. В моя случай има два бронирани магнитопровода - лентов и тороидален. Тип броня: ShL32x50(72x18). Тороидален тип: OL70/110-60.

напрежение на първичната намотка, U1 = 220 V;
напрежение на вторичната намотка, U2 = 36 V;
ток на вторичната намотка, l2 = 4 A;
външен диаметър на сърцевината, D = 110 mm;
вътрешен диаметър на сърцевината, d = 68 mm;
височина на сърцевината, h = 60 mm.

Изчисляването на трансформатор с магнитна верига от типа ShL32x50 (72x18) показа, че самата сърцевина е в състояние да достави напрежение от 36 волта с ток от 4 ампера, но може да не е възможно да се навие вторичната намотка поради недостатъчна площ на прозореца. Пристъпваме към изчисляване на трансформатор с магнитна верига от тип OL70 / 110-60.

Софтуерното (онлайн) изчисление ще ви позволи да експериментирате с параметри в движение и ще намали времето за разработка. Можете също да изчислите с помощта на формулите, те са дадени по-долу. Описание на полетата за въвеждане и изчисляване на програмата: светло синьо поле - първоначални данни за изчисление, жълто поле - автоматично избрани данни от таблиците, ако поставите отметка в квадратчето, за да коригирате тези стойности, полето променя цвета си на светло синьо и ви позволява за да въведете свои собствени стойности, поле Зелен цвят- изчислена стойност.

1. Мощност на вторичната намотка;

2. Обща мощност на трансформатора;

3. Действителното напречно сечение на стоманата на магнитната верига на мястото на трансформаторната намотка;

4. Разчетно сечение на стоманата на магнитопровода на мястото на трансформаторната бобина;

5. Действителна площ на напречното сечение на основния прозорец;

6. Размер номинален токпървична намотка;

7. Изчисляване на сечението на проводника за всяка от намотките (за I1 и I2);

8. Изчисляване на диаметъра на проводниците във всяка намотка без отчитане на дебелината на изолацията;

9. Изчисляване на броя на навивките в намотките на трансформатора;

n - номер на намотка,
U' - спад на напрежението в намотките, изразен като процент от номинална стойност, виж таблицата.

При тороидалните трансформатори относителната стойност на общия спад на напрежението в намотките е много по-малка в сравнение с бронираните трансформатори.

10. Изчисляване на броя навивки на волт;

11. Формула за изчисляване на максималната мощност, която може да даде магнитопровод;

Sst f - действителното стоманено напречно сечение на съществуващата магнитна верига на мястото на бобината;

Sok f - действителната площ на прозореца в съществуващата магнитна верига;

Vmax - магнитна индукция, виж таблица № 5;

J - плътност на тока, виж таблица № 3;

Kok - коефициент на запълване на прозореца, виж таблица № 6;

Кst - коефициент на запълване на магнитопровода със стомана, виж таблица № 7;

Стойностите на електромагнитните натоварвания Vmax и J зависят от мощността, взета от вторичната намотка на трансформаторната верига, и се вземат за изчисления от таблиците.

След като се определи стойността на Sst*Sok, е възможно да се избере необходимия линеен размер на магнитната верига, който има съотношение на площта не по-малко от полученото в резултат на изчислението.

Съдържание:

Широко използван в електрониката и електротехниката различни видоветрансформатори. Това прави възможно използването на електронни системи в много области на производство и стопанска дейност. Следователно, заедно с основните изчисления, голямо значениепридобива изчислението на импулсния трансформатор. Тези устройства са важни елементи, които се използват във всички вериги на съвременните захранвания.

Импулсните трансформатори се използват в комуникационни системи и различни автоматични устройства. тях Главна функцияе да се промени амплитудата и полярността на импулсите. Основното условие за нормалната работа на тези устройства е минималното изкривяване на сигналите, които предават.

Принципът на работа на импулсен трансформатор е следният: когато на входа му постъпят правоъгълни импулси на напрежение с определена стойност, в първичната намотка се появява постепенно електрически токи допълнително увеличаване на силата му. Това състояние от своя страна води до промяна магнитно полевъв вторичната намотка и външния вид електродвижеща сила. В този случай сигналът практически не се изкривява и малките загуби на ток не влияят на нищо.

Когато трансформаторът достигне проектната си мощност, задължително се появява отрицателната част на импулса. Неговото въздействие може да бъде минимално чрез инсталиране на обикновен диод във вторичната намотка. В резултат на това на това място импулсът също ще се доближи до правоъгълната конфигурация възможно най-близо.

Основната разлика между импулсен трансформатор и други подобни технически системиразглежда се неговият изключително ненаситен режим на работа. За производството на магнитната верига се използва специална сплав, която осигурява висока пропускателна способностмагнитно поле.

На първо място е необходимо да изберете правилно най-подходящата магнитна верига. Универсалните дизайни включват бронирани ядра с W-образна и чашовидна конфигурация. Задаването на необходимата празнина между частите на ядрото прави възможно използването им във всеки импулсни блоковехранене. Въпреки това, ако се сглоби полумостов преобразувател за издърпване, може да се откаже от конвенционална пръстеновидна магнитна верига. При изчисляването е необходимо да се вземе предвид външният диаметър на пръстена (D), вътрешният диаметър на пръстена (d) и височината на пръстена (H).

Има специални справочници за магнитни вериги, където размерите на пръстена са представени във формат KDxdxH.

Преди да изчислите импулсен трансформатор, е необходимо да получите определен набор от първоначални данни. Първо трябва да вземете решение за захранващото напрежение. Тук има някои трудности, във връзка с възможното. Следователно за изчисления се взема максималната стойност от 220 V + 10%, към която се прилагат специални коефициенти:

Стойността на амплитудата е: 242 V x 1,41 = 341,22 V.
Освен това 341,22 - 0,8 x 2 = 340 V минус спада на напрежението в токоизправителя.

Стойността на индукцията и честотата се определя с помощта на таблици:

При навиване импулсни трансформаторитрябва да се обърне внимание на характеристиките на тези устройства. На първо място, трябва да обърнете внимание на равномерното разпределение на намотката по целия периметър на магнитната верига. В противен случай ще има значително намаляване на мощността на устройството, а в някои случаи - и неговата повреда.

В случай на навиване на жицата със собствените си ръце, се използва намотка "завой към завой", направена в един слой. Въз основа на такива технически спецификации, изчисляването на импулсния трансформатор също се извършва по отношение на определянето на необходимия брой завои. Диаметърът на проводника, използван за навиване, трябва да бъде избран по такъв начин, че целият проводник да пасне точно в един слой, а броят на завоите в този случай ще съвпадне с изчислените данни. Разликата между и резултатът, получен с помощта на формулата, може да бъде от 10 до 20%, което ви позволява да направите намотка, без да обръщате внимание на точния брой навивки.

За извършване на изчисления има формула: У = н(д - 10 С - 4 д) / д, при което Уе броят на навивките в първичната намотка, н- постоянна стойност, равна на 3,1416, д- вътрешен диаметър на пръстена на магнитната верига, С- дебелина на изолационното уплътнение, д- диаметър изолиран проводник. Максималната допустима грешка при изчисление е от -5 до +10% в зависимост от плътността на проводника.

Софтуер, предназначен за изчисляване на двутактови импулсни трансформатори, мостови и полумостови преобразуватели на захранващо напрежение.

От основните предимства на Lite-CalcIT, заслужава да се отбележи удобен и разбираем графичен интерфейс, контрол и отчитане на различни характеристики на разглежданите електромагнитни устройства, както и формирането на доста надеждни резултати.

Разглежданият софтуер дава възможност за изчисляване на диаметрите намотаващи се проводници(като се вземе предвид скин-ефектът - дълбочината на проникване на тока в проводника при определена честота), загубата на мощност в магнитната верига, броят на завъртанията в намотките на трансформатора и общата му мощност, магнетизиращият ток на първичната намотка и нейната индуктивност, прегряване на магнитната верига и много други. Важна характеристика Lite-CalcIT е възможност за избор на схема за коригиране и наличност различни опцииШИМ контролери: TL494, SG3525, IR2153 и други подобни. Има и два начина за охлаждане на трансформатора: принудително и естествено. Формата на сърцевината може да бъде тип E, ER, EI, ETD или R, освен това основата на сърцевината може да се допълва. Данните за продукти от други проби трябва да се въвеждат независимо в съответствие с документацията на производителя. Когато добавя ново ядро към комбинираното поле, програмата автоматично добавя префикс на формата и име на материала към името му. Lite-CalcIT предлага изчисляване на до четири вторични намотки на един трансформатор, като за всяка вторична намотка, в съответствие с фигурите, е посочена собствена схема за коригиране. Когато показва резултатите от работата, този софтуер предоставя не само диаметрите на проводниците, но и колко нишки трябва да бъдат навити с тези проводници. При наличие на двуполюсно захранване със средна точка, броят на оборотите за всяко рамо ще бъде посочен чрез знака "+".

Има подсказки за отделни резултати от изчисления и полета за въвеждане. Освен това, ако редица параметри надхвърлят разумните граници (например нагряване на ядрото), тогава този софтуер ще предупреди потребителя за това и независимо ще ограничи редица зададени стойности. Всички данни от предишното изчисление се запазват при рестартиране на програмата.

Този софтуер е опростена версия на програмата ExcellentIT и е подходящ за тези, които не искат да се забъркват с огромен брой различни специфични параметри (които се приемат като средни по подразбиране). Това обаче води до по-голяма грешка в изчислението. Основните разлики от пълна версия- невъзможността да се изчисли индуктивността на изходния индуктор, както и да се запазят, заредят и отпечатат резултатите от работата. Когато работите с Lite-CalcIT, не трябва да забравяте, че диаметърът на жицата върху лака ще бъде по-голям от диаметъра на входа върху медта.

Авторът на този софтуер е местният програмист Владимир Денисенко, който живее в град Псков. В допълнение към ExcellentIT и Lite-CalcIT, той написа няколко други програми за определяне на компонентите на намотките на различни устройства: Booster (заточена за изчисляване на понижаване и покачване превключващи регулатори), Напред (предни преобразувателни трансформатори с единичен край) и Flyback (индукторно-ходови преобразувателни трансформатори). Авторът следва желанията на потребителите и непрекъснато усъвършенства горния софтуер. Неговите програми придобиха популярност не само в страните от бившия СССР, но и в чужбина.

Програмата Lite-CalcIT се разпространява абсолютно безплатно. Не се изисква инсталиране по време на монтажа.

Езикът на интерфейса на разглеждания калкулатор на импулсен трансформатор е руски.

Размерът на програмата е по-малък от 1 MB. Платформа за работа Операционна система Microsoft Windows XP, Vista и 7 (работоспособността е тествана на 32-битови и 64-битови). Lite-CalcIT също функционира под Linux, когато се изпълнява под Wine.

Изтегли: (изтегляния: 953)

Разпределение на програмата:Безплатно

В правилно проектиран двутактов конвертор D.C.през намотката и намагнитването на сърцевината отсъстват.
Това ви позволява да използвате пълния цикъл на повторно намагнитване и да получите максимална мощност. Тъй като трансформаторът има много взаимозависими параметри, изчислението се извършва на стъпки, като се посочват, ако е необходимо, първоначалните данни.

Общата мощност, получена от условието да не се прегрява намотката, е равна на:

Pgab = S o S c f B m / 150 (1)

Където: P gab- Мощност, W; S c- площ на напречното сечение на магнитната верига, cm 2; Така- площ на прозореца на сърцевината, cm 2 ; f- честота на трептене, Hz; B m = 0,25 T- допустима стойност на индукция за битови никел-манганови ферити при честоти до 100 kHz.

Избираме максималната мощност на трансформатора 80% от общата:

P max = 0,8 P gab (2)

Минимален брой навивки на първичната намотка n 1определен максимално напрежениена намотката U mи допустима индукция в ядрото bm:

n = (0,25⋅10 4 U m) / (f B m S c) (3)

Плътност на тока на намотката йза трансформатори с мощност до 300 W, ние приемаме 3..5 A / mm 2 (повече мощност съответства на по-малко
значение). Диаметърът на проводника в mm се изчислява по формулата:

d = 1,13⋅(I/j)1/2 (4)

Където аз- ефективен ток на намотката в A.

За ултразвукова инсталация е необходим повишаващ трансформатор с мощност 30..40 W. Напрежението на първичната намотка е синусоидално, с ефективна стойност U еф= 100 V и честота 30 kHz.

Да изберем феритен пръстен K28x16x9.
Площта му на сечение: Sc \u003d (D - d) ⋅ h / 2 \u003d (2,8 - 1,6) ⋅ 0,9 / 2 = 0,54 cm 2
площ на прозореца: Така = (d / 2) 2 π = (1,6 / 2) 2 π = 2 cm 2

Обща мощност: Pgab = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 / 150 = 54 W
Максимална сила: Pmax = 0,8 ⋅ 54 = 43,2 W

Максимално напрежение на намотката: Um=1,41 ⋅ 100 = 141 V
Брой завъртания: n 1 = 0,25 ⋅ 10 4 ⋅ 141 / (30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 ⋅ 0,54) = 87
Брой навивки на волт: n 0 \u003d 87 / 100 \u003d 0,87

Ефективната стойност на тока на първичната намотка: I = P / U = 40 / 100 = 0,4 A
Избираме плътността на тока 5 A / mm 2. Тогава диаметърът на медната тел: d = 1,13 ⋅ (0,4 / 5) 1/2 = 0,31 mm

Ако правим трансформатор с ниска мощност, можем да си поиграем с плътността на тока и да изберем по-тънки проводници, без да се страхуваме от прегряване. В книгата на Ераносян е дадена следната табличка:

Защо плътността на тока зависи от мощността на трансформатора?
Освободеното количество топлина е равно на произведението на специфичните загуби и обема на жицата. Разсеяното количество топлина е пропорционално на площта на намотката и температурната разлика между нея и средата. С увеличаване на размера на трансформатора обемът нараства по-бързо от площта и за същото прегряване трябва да се намалят специфичните загуби и плътността на тока. За трансформатори с мощност 4..5 kVA плътността на тока не надвишава 1..2 A/mm2.

Познаване на броя на завъртанията на първичната намотка нНека изчислим неговата индуктивност. За тороид се определя по формулата:

L = μ 0 μ S с n 2 / l a (5)

Къде е района S сдадени в m2, средна дължинамагнитна линия азв m, индуктивност в H, μ 0 \u003d 4π ⋅ 10 -7 H/m - магнитна константа.

В инженерната версия тази формула изглежда така:

L = A L n 2(5A), n = (L / A L) 1/2(5 Б)

Коефициент А Ли параметър на мощността S o S cза някои видове пръстени са дадени в таблица 2:

За да работи трансформаторът като съгласуващо устройство, трябва да бъде изпълнено следното условие:

L > (4 .. 10) R / (2 π f min) (6)

Където Л- индуктивност в H, R \u003d U 2 eff / P nсъпротивление на натоварване Ohm, намалено до първичната намотка,
fмин- минимална честота Hz.

В ключовите преобразуватели протичат два тока в първичната намотка, правоъгълен ток на натоварване I pr \u003d U m / Rи триъгълен ток
намагнитване $$ I_T= (1 \over L) \int_0^(T/2) U_1 dt = ( T \over 2L )U_m $$

За нормална работа стойността на триъгълния компонент не трябва да надвишава 10% от правоъгълния компонент, т.е.

L > 5 R/f (7)

Ако е необходимо, увеличете броя на завоите или използвайте ферит с по-голям μ . Не е желателно да се надценява броят на завъртанията в намотката. Поради нарастването на междувитковия капацитет при работната честота може да има резонансни вибрации. Избраният ферит трябва да има достатъчна максимална индукция и ниски загуби в работната честотна лента. Като правило, при ниски честоти (до 1 MHz), ферит с μ = 1000 .. 6000 , а при радиочестоти, които трябва да използвате μ = 50 .. 400.

Трансформаторът от Пример 1 е навит на пръстен K28x16x9 от никел-манганов ферит 2000NM с магнитна проницаемост μ = 2000.
Мощност на натоварване P = 40 W, ефективно напрежение на първичната намотка Ueff = 100 V, честота f = 30 kHz.
Нека уточним броя на неговите завои.

Намалена устойчивост на натоварване: R = 100 2 / 40 = 250 ома
Площ на напречното сечение на магнитната сърцевина: Sc \u003d 0,54 cm 2 \u003d 0,54 ⋅ 10 -4 m 2
Средна дължина на магнитната линия: la \u003d π (D + d) / 2 \u003d π (2,8 + 1,6) ⋅ 10 -2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 -2 m
Фактор на индуктивност: A L \u003d 4 π 10 -7 2000 0,54 10 -4 / 6,9 10 -2 \u003d 1963 nH / вит. 2

Минимална индуктивност на първичната намотка: L = 10 ⋅ 250 / (2π ⋅ 3 ⋅ 10 4) = 13,3 mH
Брой завъртания: n = (13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6) 1/2 = 82Той е дори по-малък от предварително изчисленото. n min = 87.
По този начин условието за достатъчна индуктивност е изпълнено и броят на намотките в намотката е n = 87.

Както знаете, сърцевината в трансформатора изпълнява функциите на концентратор на електромагнитна енергия. Колкото по-висока е допустимата индукция би магнитна проницаемост μ, толкова по-голяма е плътността на предаваната енергия и по-компактен е трансформаторът. Най-висока магнитна проницаемост имат т.нар. феромагнетици - различни връзкижелязо, никел и някои други метали.

Магнитното поле се описва с две величини: интензитет H (пропорционален на тока на намотката) и магнитна индукция B (характеризира силовото действие на полето в материала). Връзката между В и Н се нарича крива на намагнитване на дадено вещество. За феромагнетиците има интересна функция- хистерезис (от гръцки изоставане) - когато моментната реакция на удара зависи от неговата история.

След като напуснат нулевата точка (този участък се нарича основна крива на намагнитване), полетата започват да се движат по определена затворена крива (наречена хистрезисна верига). На кривата са отбелязани характерни точки - индукция на насищане B s, остатъчна индукция B r и коерцитивна сила H s.

Фиг. 1. Магнитни свойства на феритите. Отляво е формата на хистерезисната верига и нейните параметри. Вдясно основната крива на намагнитване на ферит 1500NM3 при различни температурии честоти: 1 - 20 kHz, 2 - 50 kHz, 3 - 100 kHz.

Според стойностите на тези количества феромагнитите условно се разделят на твърди и меки. Първите имат широка, почти правоъгълна хистерезисна верига и са добри за постоянни магнити. А в трансформаторите се използват материали с тесен контур. Факт е, че в сърцевината на трансформатора има два вида загуби - електрически и магнитни. Електрическите (за възбуждане на вихрови токове на Фуко) са пропорционални на проводимостта на материала и честотата, но магнитните са по-малки, толкова по-малка е площта на хистерезисната верига.

Феритите са пресовани прахове от железни оксиди или други феромагнетици, синтеровани с керамично свързващо вещество. Такава смес съчетава две противоположни свойства - високата магнитна проницаемост на желязото и лошата проводимост на оксидите. Това минимизира както електрическите, така и магнитните загуби и прави възможно трансформаторите да работят на високи честоти. Честотните свойства на феритите се характеризират с критичната честота f c, при която тангенсът на загубите достига 0,1. Термична - температура на Кюри T c, при която μ рязко намалява до 1.

Домашните ферити са маркирани с цифри, показващи първоначалната магнитна пропускливост, и букви, показващи честотния диапазон и вида на материала.
Най-често срещаният нискочестотен никел-цинков ферит, обозначен с буквите HH. Има ниска проводимост и относително висока честота f c . Но има големи магнитни загуби и ниска температура на Кюри.
Никел-мангановият ферит има обозначението HM. Проводимостта му е по-голяма, така че fc е ниско. Но магнитните загуби са малки, температурата на Кюри е по-висока, по-малко се страхува от механични удари.
Понякога в маркировката на феритите се поставя допълнително число 1, 2 или 3. Обикновено, колкото по-високо е, толкова по-стабилен на температура е феритът.

За технология за преобразуване термостабилният ферит 1500NM3 с fc=1,5 MHz, Bs=0,35...0,4 T и Tc=200 ℃ е добър.

За специални приложения се произвежда ферит 2000NM3 с нормализирана декамодулация (временна стабилност на магнитната проницаемост). Има fc=0.5MHz, Bs=0.35..0.4T и Tc=200 ℃.

Феритите от серията NMS са разработени за мощни и компактни трансформатори. Например 2500NMS1 с Bs=0,45 T и 2500NMS2 с Bs=0,47 T. Тяхната критична честота е fc=0,4MHz, а температурата на Кюри е Tc>200℃.

Що се отнася до допустимата индукция B m , този параметър е регулируем и не е стандартизиран в литературата. Приблизително може да се счита B m = 0,75 V s мин. За никел-манганови ферити това дава приблизително 0,25 T. Като се вземе предвид спадът на B s при повишени температури и поради стареене в критични случаи, по-добре е да се играе на сигурно и да се намали B m до 0,2 T.

Основните параметри на обикновените ферити са обобщени в таблица 3.

Таблица 3. Основни параметри на някои ферити

Марка	100NN	400NN	600NN	1000NN	2000 г	2000nm	1000NM3	1500NM1	1500NM3
μ инициал	80..120	350..500	500..800	800..1200	1800..2400	1700..2500	800..1200	1200..1800	1200..1800
fc, MHz	7	3,5	1,5	0,4	0,1	0,5	1,8	0,7	1,5
Tc, ℃	120	110	110	110	70	200	200	200	200
Бс, Т	0,44	0,25	0,31	0,27	0,25	0,38..0,4	0,33	0,35..0,4	0,35..0,4

При честота, по-малка от критичната fc, загубите на енергия в магнита се състоят главно от загуби от повторно намагнитване, а загубите от вихрови токове могат да бъдат пренебрегнати.
Опитът и теорията показват, че загубата на енергия на единица обем (или маса) в един цикъл на обръщане на намагнитването е право пропорционална на
площ на хистерезисната верига. Следователно мощността на магнитните загуби:

P H = P 0 ⋅ V ⋅ f (8)

Където P0– специфични загуби на единица обем (измерени на честотата f 0при индукция B0) ,Vе обемът на пробата.

Въпреки това, с увеличаване на честотата, индукцията на насищане намалява, хистерезисната верига се деформира и загубите се увеличават. За да отчете тези фактори, Щайнмец (C. P. Steinmetz, 1890-1892) предлага емпирична формула:

P H = P 1 ⋅ m ⋅ (f / f 1) α (B / B 1) β (9)

Това се съгласихме f 1 = 1 kHz, B 1 = 1 T; количества P 1 , α, βпосочени в наръчника.

Таблица 5. Специфични загуби в някои ферити

Марка	1500NM3	2000NM1-A,B		2000NM3	2000NM-17		3000NM-A	6000NM-1
f	-	0,4...100 kHz	0.1..1 MHz	-	0,4...100 kHz	0.1..1 MHz	0,4...200 kHz	20..50 kHz	50..100 kHz
P 1, W / kg	23,2	32±7	13±3	44,6	63±10	25±4	48±8	11±2	38±0,8
α	1,2	1,2	1,4	1,3	1,2	1,4	1,2	1,35	1,6
β	2,2	2,4		2,7	2,85	2,76	2,69	2,6

Омични загуби в първичната намотка при стайна температура и без отчитане на скин-ефекта:

P M1 =I 2 eff (ρ / Sm) ((D - d) + 2h) ⋅ n 1 (10)

Където аз еф- ефективен ток, D - външен, d - вътрешен диаметър на пръстена, h - височината му в метри; n 1 - брой завои; см - напречно сечениепроводници, в mm 2; ρ = 0,018 Ohm ⋅ mm 2 / m съпротивлениемед.

Общи загуби във всички намотки при повишена температура околен свят:

P M = (P M1 + P M2 + ..) (1 + 0,004 (T-25°C)) (11)

P Σ = P H + P M (12)

Очаквана температура на прегряване за естествена конвекция:

ΔT = P Σ / (α m Scool) (13)

Където α m \u003d (10..15) -4 W / cm 2 o C, Scool \u003d π / 2 (D 2 - d 2) + π h (D + d)

Нека намерим загубите в трансформатора от примери 1 и 2. За простота приемаме, че вторичната и първичната намотка са еднакви. Ефективен ток
първична намотка Ieff \u003d 0,4 A. Загуби на мед в първичната намотка P M1 \u003d 0,4 2 ⋅ (0,018 / 0,08) (28 - 16 + 18) ⋅ 10 -3 ⋅ 87 0,1 W.
Загуби в мед на двете намотки: P M = 0,2 W.

По референтни данни за ферит 2000NM P 1 \u003d 32 W / kg, α \u003d 1,2, β = 2,4,масата на сърцевината K28x16x9 е 20 грама.
Загуба на ферит: P H \u003d 32 (30 / 1) 1,2 (0,25 / 1) 2,4 ⋅ 20 ⋅ 10 -3 = 1,36 W

Общи загуби в трансформатора: P Σ = 1,56 W. Приблизителна ефективност = (40 - 1,56) / 40 ⋅ 100% 96%

На фиг.2. показано. Той включва съпротивлението на източника r i, намалена устойчивост на натоварване R \u003d n 2 R nили R \u003d P n / U 2 еф, където n \u003d U 1 / U 2- коефициент на трансформация, U еф- ефективно напрежение на първичната намотка.

Фиг.2. Еквивалентна схема на трансформатор.

Инерционните свойства на трансформатора определят ниската индуктивност на утечка Ls, намагнитваща индуктивност L μ(почти равна на индуктивността на първичната намотка L1), капацитет на паралелна намотка С т(т.нар. динамичен капацитет) и сериен капацитет между намотките C p.

L1изчислено по формула (5) или измерено експериментално.
Според индуктивността на утечка, порядъкът на величината е L s ~ L 1 / μ. Капацитет C pе около 1 pF на оборот.

Трансформаторът работи като лентов филтър. При ниски честоти това е високочестотен филтър с честота на срязване ω n = R / L μ.
При високи честоти елементите Lsи Cpобразуват нискочестотен филтър с гранична честота ω in ≈ (L s C p) -1/2.
Сериен капацитет C pНе е голям и не влияе наистина на производителността.

В модела има два характерни резонанса.

Ниска честота (магнетизиращ резонанс) в паралелна верига L μ C p
Честотата му f μ (1/ 2 π) ⋅ (L μ C p) -1/2, и добротата Q μ (r i || R) ⋅ (L μ / C p) -1/2 (14)

Високочестотен (резонанс на разсейване) във веригата, образувана от Lsи C p.
Честотата му fs (1/ 2 π) ⋅ (L s C p) -1/2, и добротата Q s (L s / C p) 1/2 / r i . (15)

Честотната характеристика на трансформатора е подобна на честотната характеристика на лентов филтър, но в горния му край има резонанс fsдава характерен пик.
Реакцията на импулси зависи от включването на източника и стойностите на съпротивлението.
С малко вътрешно съпротивление на източника r iима само резонанс fsпод формата на характерен "звън" на импулсните фронтове.
Ако източникът е свързан чрез ключ, тогава когато се отвори, интензивни трептения с честота f μ

Фиг.3. Пример за честотна характеристика и преходен процес в трансформатор. Неговата еквивалентна схема е дадена по-долу на фигура 4.

За пробата е взет пръстен от ферит 3000NM с размер K10x6x2. Първичната намотка беше 21 оборота, вторичната 14, коефициентът на трансформация n = 1,5, съпротивлението на натоварване беше 4,7 kOhm, източникът беше правоъгълен импулсен генератор на TTL микросхеми с ниво 6V, честота 1 MHz и вътрешно съпротивление r i 200 ома.

Нека изчислим теоретичните параметри:
S c \u003d 4 ⋅ 10 -6 m 2, la = 25,13 ⋅ 10 -3 m, A L theor = 600 nH / вит. 2 , L 1теор \u003d 0,6 ⋅ 21 2 \u003d 265 μH , Ls теория 265/3000 = 0,09 µH , C p теория 21+14 = 35 pF.
Намалена устойчивост на натоварване R \u003d n 2 Rn \u003d 2,25 ⋅ 4,7 ~ 10 kOhm.

Резултатите от измерванията на индуктивността с инструмента AKIP-6107:
L 1 \u003d 269 μH , L 2 \u003d 118 μH, късо получаваме вторичната намотка 2Ls = 6,8 µH, което е с два порядъка по-високо от нейните теоретици.

Динамичният капацитет Cp може да бъде оценен от формула (15), като се приложи към трансформатора правоъгълни импулсии измерване с осцилоскоп на периода на трептене на "звъненето" на фронтовете на импулсите на изхода на вторичната намотка. Честотата на "звънене" fs се оказа 18,5 MHz, което дава Cp 21 pF и се съгласува добре с теоретичната оценка.
За сравнение с експеримента еквивалентната схема с измерените параметри е моделирана в програмата LT Spice.

Фиг.4. Модел трансформатор. Vout е намаленото напрежение, действителното напрежение ще бъде n пъти по-малко.

Фиг.5. Резултати от експеримента. Скалата на вертикалната скала е 1 волт на деление.

И така, моделът, изграден на базата на измереното L μ, L s и C pе в добро съответствие с експеримента.
Теоретичната оценка на капацитета от 1 pF на оборот за малки пръстени е приемлива, но оценката на индуктивността на утечка се различава с два порядъка от действителната. По-лесно е да се определи чрез опит.

При подаване на напрежение UЕМП на индукция ще се появи на намотката в него E: U = -E = n Sc dB / dt

За синусоидално напрежение с амплитуда хм: Um = n Sc ω Bm

Къде идва броят на завоите n = Um / (Sc ω Bm)

Изразявайки кръговата честота чрез обичайната и площта в cm 2, получаваме инженерната формула: n = 0,16 ⋅10 4 / (f Bm Sc)

За правоъгълно напрежение с магнитуд хм: dB = dt Um / (n Sc)

Интегрирайки във времето от 0 до T/2 и като вземем предвид, че полето ще се промени от -Bm на +Bm за половин период, получаваме: 2Bm = (T / 2) Um / (n Sc)

Изразявайки периода като честота и площта в cm 2, получаваме инженерната формула: n = 0,25 ⋅10 4 / (f Bm Sc)

Подходящ е и за двата случая.

Съгласно закона за електромагнитната индукция на Фарадей, връзката между напрежението върху намотката и промяната на магнитната индукция в нея:

U dt = n Sc dB

През времето от 0 до T / 2, индукцията ще се промени от -Bm до +Bm, интегрирайки в тези граници, получаваме:

U cf = 4 n Sc Bm f

Където: $$ U_(cp)=(2 \over T) \int_0^(T/2) U dt $$

Но устройствата измерват не средното, а ефективното напрежение, което е еквивалентно на постоянна енергия. Връзката между средата и течението
стресът дава фактор на формата към f \u003d U eff / U вж. За меандъра е 1, за синуса 1,11.
Следователно ефективното напрежение в намотката е:

U eff \u003d 4 k f n Sc Bm f

Ние оценяваме общата мощност от следните съображения. Честотата f не е голяма, загубите от вихрови токове и обръщане на намагнитването са малки и мощността
ограничено от прегряване на намотката. Определя се от максималната плътност на тока j, която е еднаква и за двете намотки.
Ние определяме общата мощност като половината от сумата на мощностите на първичната и вторичната намотки.

Pgab \u003d (P 1 + P 2) / 2 \u003d (U eff1 I 1 + U eff2 I 2) / 2 \u003d j (S 1 n 1 + S 2 n 2) 4 до f Sc Bm / 2където S 1 и S 2 са площите на първичната и вторичната намотка.

Това може да се запише по отношение на медната площ Sm:

Pgab = 2 k f f Sc Sm Bm j

Площта на медта е свързана с фактора на запълване на прозореца σ = Sm / S 0 .
Сигма е вид емпиричен коефициент, равен на минимум 0,15 за еднослойна намотка и максимум 0,4 за многослойна (вече няма да пасва).
В резултат нашата формула изглежда така:

Pgab = 2 k f σ f Sc S 0 Bm j

Всички стойности тук са в SI.

Да приемем, че напрежението има формата на меандър, k f \u003d 1. Избирайки плътността на тока j \u003d 2,2 A / mm 2,
коефициент на запълване σ \u003d 0,15, изразяващ площта в cm 2, Bm в T, честота в Hz, получаваме формулата за изчисление:

Pgab = Sc S 0 f Bm / 150

Както можете да видите, тази формула е получена с голям марж, наистина е възможно да получите повече мощност от трансформатора.

Косенко С. „Изчисляване на импулсен трансформатор на двутактен преобразувател“ // Радио, № 4, 2005 г., стр. 35 - 37, 44.
Ераносян С. А. Мрежови захранвания с високочестотни преобразуватели. - Л.: Енергоатомиздат. Ленинград. отдел, 1991, - 176 с: ил.
С. В. Котенев, А. Н. Евсеев. Изчисляване и оптимизиране тороидални трансформатории дросели. - М.: Гореща линия-Телеком, 2013. - 359 с.: ил.
А. Петров "Индуктивности, дросели, трансформатори" // Радиолюбител, № 12, 1995, с.10-11.
Михайлова М.М., Филипов В.В., Муслаков В.П. Магнитно-меки ферити за радиоелектронна техника. Справочник. - М.: Радио и комуникация, 1983. - 200 с., ил.
Оценени геометрични параметри на пръстеновидни ядра.
Б.Ю.Семенов. Силова електроника за любители и професионалисти. М. : Солон-Р, 2001. - 327 с. : тиня

Различни видове трансформаторно оборудване се използват в електронни и електрически вериги, които се търсят в много области на икономическата дейност. Например, импулсните трансформатори (наричани по-нататък IT) са важен елемент, инсталиран в почти всички съвременни захранвания.

В зависимост от формата на сърцевината и разположението на бобините върху нея, IT се произвеждат в следните конструкции:

Цифрите показват:

A - магнитна верига, изработена от класове трансформаторна стомана, произведена по технологията на студено или горещо валцуван метал (с изключение на тороидална сърцевина, тя е направена от ферит);
B - намотка от изолационен материал
C - проводници, които създават индуктивна връзка.

Имайте предвид, че електрическата стомана съдържа малко добавки от силиций, тъй като причинява загуба на мощност от ефекта на вихрови токове върху веригата на магнитната верига. При ИТ с тороидален дизайн сърцевината може да бъде направена от валцована или феримагнитна стомана.

Плочите за комплект електромагнитно ядро се избират по дебелина в зависимост от честотата. С увеличаване на този параметър е необходимо да се монтират плочи с по-малка дебелина.

Основната характеристика на импулсните трансформатори (наричани по-нататък IT) е, че те се захранват с еднополюсни импулси с постоянен компонент на тока и следователно магнитната верига е в състояние на постоянно отклонение. Показано по-долу електрическа схемасвързване на такова устройство.

Схема: свързване на импулсен трансформатор

Както можете да видите, схемата на свързване е почти идентична с конвенционалните трансформатори, което не може да се каже за диаграмата на времето.

Първичната намотка получава импулсни сигнали с правоъгълна форма e (t), интервалът между които е доста кратък. Това предизвиква нарастване на индуктивността през интервала t u , след което се наблюдава нейният спад в интервала (T-t u).

Индукционните спадове възникват със скорост, която може да бъде изразена чрез времевата константа по формулата: τ p =L 0 /R n

Коефициентът, описващ разликата на индуктивната разлика, се определя, както следва: ∆V=V max - V r

B max - нивото на максималната стойност на индукция;
В r - остатък.

По-ясно разликата в индукциите е показана на фигурата, показваща изместването на работната точка в магнитната верига IT.

Както може да се види на времедиаграмата, вторичната намотка има ниво на напрежение U 2, в което има обратни удари. Така се проявява акумулираната в магнитопровода енергия, която зависи от намагнитването (параметър i u).

Токовите импулси, преминаващи през първичната намотка, са с трапецовидна форма, тъй като натоварването и линейните токове (причинени от намагнитването на сърцевината) се комбинират.

Нивото на напрежението в диапазона от 0 до t u остава непроменено, неговата стойност e t =U m . Що се отнася до напрежението на вторичната намотка, то може да се изчисли по формулата:

където:

Ψ е параметърът на свързване на потока;
S е стойност, която показва напречното сечение на магнитната сърцевина.

Като се има предвид, че производната, характеризираща промените в тока, преминаващ през първичната намотка, е постоянна стойност, увеличаването на нивото на индукция в магнитната верига става линейно. Въз основа на това е допустимо вместо производната да се въведе разликата на индикаторите, направени след определен интервал от време, което ви позволява да правите промени във формулата:

в този случай ∆t ще се идентифицира с параметъра t u , който характеризира продължителността, с която протича импулсът на входното напрежение.

За да се изчисли площта на импулса, с която се формира напрежението във вторичната намотка на IT, е необходимо да се умножат двете части на предишната формула по t u. В резултат на това ще стигнем до израз, който ни позволява да получим основния ИТ параметър:

U m x t u = S x W 1 x ∆V

Имайте предвид, че стойността на площта на импулса зависи пряко от параметъра ∆В.

Втората най-важна стойност, характеризираща работата на ИТ, е индукционният спад, той се влияе от такива параметри като напречното сечение и магнитната пропускливост на сърцевината на магнитната верига, както и броя на завоите на намотката:

Тук:

L 0 - индукционна разлика;
µ a е магнитната проницаемост на сърцевината;
W 1 - броят на завъртанията на първичната намотка;
S е площта на напречното сечение на сърцевината;
l cp - дължина (периметър) на сърцевината (магнитна верига)
B r е стойността на остатъчната индукция;
В max - нивото на максималната стойност на индукцията.
H m - Сила на магнитното поле (максимум).

Като се има предвид, че параметърът на индуктивността IT изцяло зависи от магнитната проницаемост на сърцевината, изчислението трябва да се основава на максималната стойност на µ a, която е показана от кривата на намагнитване. Съответно, за материала, от който е направена сърцевината, нивото на параметъра B r, който отразява остатъчната индукция, трябва да бъде минимално.

Видео: подробно описание на принципа на работа на импулсен трансформатор

Въз основа на това лентата, изработена от трансформаторна стомана, е идеална за ролята на материал за ИТ сърцевина. Можете също да използвате пермалой, в който такъв параметър като коефициентът на квадратност е минимален.

Сърцевините от феритни сплави са идеални за високочестотни ИТ, тъй като този материал има ниски динамични загуби. Но поради ниската му индуктивност е необходимо да се направи IT с големи размери.

Феритен клас

Помислете как е необходимо да се изчисли IT. Забележка Ефективност на устройствотое пряко свързано с точността на изчисленията. Като пример, нека вземем конвенционална преобразувателна верига, която използва тороидален тип IT.

На първо място, трябва да изчислим нивото на ИТ мощност, за това използваме формулата: P \u003d 1,3 x P n.

Стойността на R n показва колко мощност ще консумира товарът. След това изчисляваме общата мощност (P gb), тя не трябва да бъде по-малка от мощността на натоварване:

Необходими параметри за изчисление:

S c - показва площта на напречното сечение на тороидалното ядро;
S 0 - площта на неговия прозорец (като намек, тази и предишната стойност са показани на фигурата);

B max е максималната пикова индукция, зависи от това коя марка феромагнитен материал се използва (референтната стойност е взета от източници, описващи характеристиките на класове ферит);
f е параметър, характеризиращ честотата, с която се преобразува напрежението.

Следващата стъпка е да се определи броят на завъртанията в първичната намотка Tr2:

(резултатите са закръглени)

Стойността на U I се определя от израза:

U I \u003d U / 2-U e (U е захранващото напрежение към преобразувателя; U e е нивото на напрежение, подадено към емитерите на транзисторни елементи V1 и V2).

Да преминем към изчислението максимален токпреминаващ през първичната намотка IT:

Параметърът η е равен на 0,8, това е ефективността, с която трябва да работи нашият преобразувател.

Диаметърът на проводника, използван в намотката, се изчислява по формулата:

Ако имате проблеми с определянето на основните ИТ параметри, можете да намерите тематични сайтове в Интернет, които ви позволяват да изчислите всякакви импулсни трансформатори онлайн.