Anneaux de ferrite pour alimentations à découpage. Calcul des transformateurs des alimentations à découpage

But et fonctionnement d'un transformateur d'impulsions

Calcul des données initiales et sélection des éléments de l'appareil

Bobinage des transformateurs d'impulsions

1. Comment déterminer le nombre de tours et la puissance ?

2. Comment spécifier la densité de courant ?

3. Comment spécifier le nombre de tours de l'enroulement primaire ?

4. Quelles ferrites peuvent être utilisées et pourquoi ?

5. Quelle sera la température du noyau ?

6. Comment prendre en compte les propriétés inertielles du transformateur ?

7. Mesure expérimentale des paramètres d'un transformateur d'impulsions.

Littérature.

Conception (types) de transformateurs d'impulsions

Principe d'opération

Calcul d'un transformateur d'impulsions

DONNÉES INITIALES pour le calcul d'un transformateur à noyau magnétique toroïdal :

Formules et tableaux pour le calcul manuel du transformateur :

Exemple 1:

Exemple 2 :

pertes magnétiques.

Pertes en cuivre.

Pertes totales dans le transformateur.

Exemple 3 :

Annexe 1. Dérivation de la formule du nombre de tours.

Annexe 2. Dérivation de la formule de la puissance globale du transformateur.

1. Ferrites manganèse-zinc.

2. Ferrites nickel-zinc.

Quels grades de ferrites nous intéressent le plus ?

Comment les évaluer ?

Comment ces résonances affectent-elles?

Il y avait besoin de bloc puissant la nutrition. Dans mon cas, il y a deux circuits magnétiques blindés - bande et toroïdal. Type d'armure : ShL32x50(72x18). Type toroïdal : OL70/110-60.

tension de l'enroulement primaire, U1 = 220 V ;
tension de l'enroulement secondaire, U2 = 36 V ;
courant de l'enroulement secondaire, l2 = 4 A ;
diamètre extérieur du noyau, D = 110 mm ;
diamètre intérieur du noyau, d = 68 mm;
hauteur du noyau, h = 60 mm.

Le calcul d'un transformateur avec un circuit magnétique de type ShL32x50 (72x18) a montré que le noyau lui-même est capable de délivrer une tension de 36 volts avec un courant de 4 ampères, mais il peut ne pas être possible d'enrouler l'enroulement secondaire en raison de surface de fenêtre insuffisante. Nous procédons au calcul d'un transformateur à circuit magnétique de type OL70/110-60.

Le calcul logiciel (en ligne) vous permettra d'expérimenter les paramètres à la volée et de réduire le temps de développement. Vous pouvez également calculer en utilisant les formules, elles sont données ci-dessous. Description des champs d'entrée et de calcul du programme : champ bleu clair - données initiales pour le calcul, champ jaune - données automatiquement sélectionnées dans les tables, si vous cochez la case pour ajuster ces valeurs, le champ change de couleur en bleu clair et vous permet pour entrer vos propres valeurs, champ Couleur verte- valeur calculée.

1. Puissance de l'enroulement secondaire ;

2. Puissance globale du transformateur ;

3. La section transversale réelle de l'acier du circuit magnétique à l'emplacement de la bobine du transformateur ;

4. Section estimée de l'acier du circuit magnétique à l'emplacement de la bobine du transformateur ;

5. Surface de coupe transversale réelle de la fenêtre principale ;

6. Taille courant nominal enroulement primaire;

7. Calcul de la section de fil pour chacun des enroulements (pour I1 et I2) ;

8. Calcul du diamètre des fils dans chaque enroulement sans tenir compte de l'épaisseur de l'isolant ;

9. Calcul du nombre de tours dans les enroulements du transformateur ;

n - numéro d'enroulement,
U' - chute de tension dans les enroulements, exprimée en pourcentage de valeur nominale, Voir le tableau.

Dans les transformateurs toroïdaux, la valeur relative de la chute de tension totale dans les enroulements est bien inférieure à celle des transformateurs blindés.

10. Calcul du nombre de tours par volt ;

11. Formule de calcul de la puissance maximale que peut donner un circuit magnétique ;

Sst f - la section transversale en acier réelle du circuit magnétique existant à l'emplacement de la bobine;

Sok f - la surface réelle de la fenêtre dans le circuit magnétique existant;

Vmax - induction magnétique, voir tableau n° 5 ;

J - densité de courant, voir tableau n ° 3;

Kok - facteur de remplissage de fenêtre, voir tableau n ° 6;

Кst - facteur de remplissage du circuit magnétique avec de l'acier, voir tableau n ° 7;

Les valeurs des charges électromagnétiques Vmax et J dépendent de la puissance prélevée sur l'enroulement secondaire du circuit du transformateur et sont prises pour les calculs à partir des tableaux.

Après avoir déterminé la valeur de Sst * Sok, il est possible de choisir la taille linéaire requise du circuit magnétique, qui a un rapport de surface non inférieur à celui obtenu à la suite du calcul.

Contenu:

Largement utilisé dans l'électronique et l'électrotechnique différents types transformateurs. Cela permet d'utiliser des systèmes électroniques dans de nombreux domaines de la production et activité économique. Par conséquent, avec les calculs de base, grande importance acquiert le calcul du transformateur d'impulsions. Ces dispositifs sont des éléments importants qui sont utilisés dans tous les circuits des alimentations électriques modernes.

Les transformateurs d'impulsions sont utilisés dans les systèmes de communication et divers appareils automatiques. Leur fonction principale est de modifier l'amplitude et la polarité des impulsions. La condition principale pour le fonctionnement normal de ces appareils est la distorsion minimale des signaux qu'ils transmettent.

Le principe de fonctionnement d'un transformateur d'impulsions est le suivant: lorsque des impulsions de tension rectangulaires d'une certaine valeur arrivent à son entrée, une apparition progressive se produit dans l'enroulement primaire courant électrique et encore augmenter sa force. Cet état entraîne à son tour un changement champ magnétique dans l'enroulement secondaire et l'apparition force électromotrice. Dans ce cas, le signal n'est pratiquement pas déformé et les petites pertes de courant n'affectent rien.

Lorsque le transformateur atteint sa puissance nominale, la partie négative de l'impulsion apparaît nécessairement. Son impact peut être rendu minimal en installant une simple diode dans l'enroulement secondaire. En conséquence, à cet endroit, l'impulsion se rapprochera également le plus possible de la configuration rectangulaire.

La principale différence entre un transformateur d'impulsions et d'autres similaires systèmes techniques son mode de fonctionnement exceptionnellement insaturé est considéré. Pour la fabrication du circuit magnétique, un alliage spécial est utilisé, qui offre une haute débit champ magnétique.

Tout d'abord, il est nécessaire de choisir correctement le circuit magnétique le plus approprié. Les conceptions universelles incluent des noyaux d'armure avec des configurations en forme de W et en forme de coupe. Le réglage de l'écart requis entre les parties du noyau permet de les utiliser dans n'importe quel blocs d'impulsion la nutrition. Cependant, si un convertisseur push-pull en demi-pont est assemblé, un circuit magnétique annulaire classique peut être supprimé. Lors du calcul, il est nécessaire de prendre en compte le diamètre extérieur de l'anneau (D), le diamètre intérieur de l'anneau (d) et la hauteur de l'anneau (H).

Il existe des ouvrages de référence spéciaux sur les circuits magnétiques, où les dimensions de l'anneau sont présentées au format KDxdxH.

Avant de calculer un transformateur d'impulsions, il est nécessaire d'obtenir un certain ensemble de données initiales. Vous devez d'abord décider de la tension d'alimentation. Il y a là quelques difficultés, en rapport avec le possible. Par conséquent, pour les calculs, la valeur maximale de 220 V + 10% est prise, à laquelle des coefficients spéciaux sont appliqués :

La valeur d'amplitude est : 242 V x 1,41 = 341,22 V.
Plus loin 341,22 - 0,8 x 2 \u003d 340 V moins la chute de tension aux bornes du redresseur.

La valeur de l'induction et de la fréquence est déterminée à l'aide de tableaux :

Lors de l'enroulement transformateurs d'impulsions il faut tenir compte des caractéristiques de ces appareils. Tout d'abord, vous devez faire attention à la répartition uniforme de l'enroulement sur tout le périmètre du circuit magnétique. Sinon, il y aura une diminution significative de la puissance de l'appareil et, dans certains cas, sa panne.

Dans le cas de l'enroulement du fil de vos propres mains, un enroulement «tour à tour» est utilisé, réalisé en une seule couche. Basé sur une telle spécifications techniques, le calcul du transformateur d'impulsions est également effectué en termes de détermination du nombre de tours requis. Le diamètre du fil utilisé pour l'enroulement doit être sélectionné de manière à ce que l'ensemble du fil s'insère exactement dans une couche, et le nombre de tours dans ce cas coïncidera avec les données calculées. La différence entre et le résultat obtenu à l'aide de la formule peut aller de 10 à 20%, ce qui vous permet de faire un bobinage sans faire attention au nombre exact de tours.

Pour effectuer des calculs, il existe une formule : O = n(ré - 10 S - 4 ré) / ré, dans lequel O est le nombre de spires de l'enroulement primaire, n- valeur constante égale à 3,1416, ré- diamètre intérieur de l'anneau du circuit magnétique, S- épaisseur du joint isolant, ré- diamètre fil isolé. La tolérance maximale d'erreur de calcul est de -5 à +10% selon la densité du fil.

Logiciel conçu pour le calcul des transformateurs d'impulsions push-pull, des convertisseurs de tension d'alimentation en pont et demi-pont.

Parmi les principaux avantages de Lite-CalcIT, il convient de noter une interface graphique pratique et compréhensible, le contrôle et la prise en compte de diverses fonctionnalités des appareils électromagnétiques considérés, ainsi que la formation de résultats assez fiables.

Le logiciel considéré permet de calculer les diamètres fils de bobinage(en tenant compte de l'effet de peau - la profondeur de pénétration du courant dans le réseau de conducteurs à une certaine fréquence), la perte de puissance dans le circuit magnétique, le nombre de tours dans les enroulements du transformateur et sa puissance globale, le courant magnétisant du primaire bobinage et son inductance, surchauffe du circuit magnétique, et bien plus encore. Une caractéristique importante Lite-CalcIT est la possibilité de sélectionner un schéma de rectification et la disponibilité diverses possibilités Contrôleurs PWM : TL494, SG3525, IR2153 et similaires. Il existe également deux manières de refroidir le transformateur : forcée et naturelle. La forme du noyau peut être de type E, ER, EI, ETD ou R, de plus, la base du noyau est réapprovisionnable. Les données pour les produits d'autres échantillons doivent être saisies indépendamment conformément à la documentation du fabricant. Lors de l'ajout d'un nouveau noyau à la zone de liste déroulante, le programme ajoute automatiquement un préfixe de forme et un nom de matériau à son nom. Lite-CalcIT propose de calculer jusqu'à quatre enroulements secondaires d'un transformateur, et pour chaque enroulement secondaire, conformément aux figures, son propre schéma de redressement est indiqué. Lors de l'affichage des résultats du travail, ce logiciel fournit non seulement les diamètres des fils, mais également le nombre de brins à enrouler avec ces fils. En présence d'une alimentation bipolaire à point milieu, le nombre de spires de chaque bras sera indiqué par le signe "+".

Il existe des info-bulles sur les résultats de calcul individuels et les champs de saisie. De plus, si un certain nombre de paramètres dépassent les limites raisonnables (par exemple, le chauffage central), ce logiciel en avertira l'utilisateur et limitera indépendamment un certain nombre de valeurs définies. Toutes les données du calcul précédent sont enregistrées lorsque le programme est redémarré.

Ce logiciel est une version simplifiée du programme ExcellentIT et convient à ceux qui ne veulent pas s'embarrasser d'un grand nombre de paramètres spécifiques différents (qui sont pris comme moyennes par défaut). Cependant, cela entraîne une erreur de calcul plus élevée. Les principales différences avec version complète- l'impossibilité de calculer l'inductance de l'inducteur de sortie, ainsi que de sauvegarder, charger et imprimer les résultats du travail. Lorsque vous travaillez avec Lite-CalcIT, il ne faut pas oublier que le diamètre du fil sur le vernis sera plus grand que le diamètre de l'entrée sur le cuivre.

L'auteur de ce logiciel est un programmeur domestique Vladimir Denisenko, qui vit dans la ville de Pskov. En plus d'ExcellentIT et de Lite-CalcIT, il a écrit plusieurs autres programmes pour déterminer les composants d'enroulement de divers appareils : Booster (aiguisé pour calculer l'abaissement et l'augmentation régulateurs à découpage), Forward (transformateurs convertisseurs asymétriques directs) et Flyback (transformateurs convertisseurs inductance-retour). L'auteur suit les souhaits des utilisateurs et affine constamment le logiciel ci-dessus. Ses programmes ont gagné en popularité non seulement dans les pays de l'ex-URSS, mais aussi à l'étranger.

Le programme Lite-CalcIT est distribué absolument gratuitement. L'installation pendant l'installation n'est pas nécessaire.

La langue d'interface du calculateur de transformateur d'impulsions considéré est le russe.

La taille du programme est inférieure à 1 Mo. Plate-forme de travail Systèmes d'exploitation Microsoft Windows XP, Vista et 7 (opérabilité testée sur 32 bits et 64 bits). Lite-CalcIT fonctionne également sous Linux lorsqu'il est exécuté sous Wine.

Télécharger: (téléchargements : 953)

Diffusion du programme :libre

Dans un convertisseur push-pull correctement conçu DCà travers l'enroulement et l'aimantation du noyau sont absents.
Cela vous permet d'utiliser le cycle de réaimantation complet et d'obtenir une puissance maximale. Le transformateur ayant de nombreux paramètres interdépendants, le calcul s'effectue par étapes en précisant, si nécessaire, les données initiales.

La puissance globale obtenue à partir de la condition de non surchauffe de l'enroulement est égale à :

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

Où: P bavardage- Puissance, W ; Sc- section transversale du circuit magnétique, cm 2; Alors- surface centrale de la fenêtre, cm 2 ; F- fréquence d'oscillation, Hz ; B m = 0,25 T- valeur d'induction admissible pour les ferrites nickel-manganèse domestiques à des fréquences allant jusqu'à 100 kHz.

On choisit la puissance maximale du transformateur 80% du total :

P max = 0,8 Pgab (2)

Nombre minimum de tours de l'enroulement primaire n 1 déterminé tension maximale sur l'enroulement U m et induction de noyau admissible BM:

n = (0,25⋅10 4 U m) / (f B m S c) (3)

Densité de courant d'enroulement j pour les transformateurs d'une puissance allant jusqu'à 300 W, on prend 3..5 A / mm 2 (plus de puissance correspond à moins
sens). Le diamètre du fil en mm est calculé par la formule :

d = 1,13⋅(I/j)1/2 (4)

Où je- courant d'enroulement efficace en A.

Pour une installation à ultrasons, un transformateur élévateur d'une puissance de 30..40 W est nécessaire. La tension sur l'enroulement primaire est sinusoïdale, avec une valeur efficace Ueff= 100 V et une fréquence de 30 kHz.

Choisissons anneau de ferrite K28x16x9.
Son aire de coupe : Sc \u003d (D - d) ⋅ h / 2 \u003d (2,8 - 1,6) ⋅ 0,9 / 2 \u003d 0,54 cm 2
zone de fenêtre : Donc \u003d (d / 2) 2 π \u003d (1,6 / 2) 2 π \u003d 2 cm 2

Puissance globale : Pgab = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 / 150 = 54 W
Maximum d'énergie: Pmax = 0,8 ⋅ 54 = 43,2 W

Tension d'enroulement maximale : Um=1,41 ⋅ 100 = 141 V
Nombre de tours: n 1 \u003d 0,25 ⋅ 10 4 ⋅ 141 / (30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 ⋅ 0,54) \u003d 87
Nombre de tours par volt : n 0 \u003d 87 / 100 \u003d 0,87

La valeur efficace du courant de l'enroulement primaire: Je = P / U = 40 / 100 = 0,4 A
Nous choisissons la densité de courant 5 A / mm 2. Puis le diamètre du fil de cuivre : d = 1,13 ⋅ (0,4 / 5) 1/2 = 0,31 mm

Si nous fabriquons un transformateur de faible puissance, nous pouvons jouer avec la densité de courant et choisir des fils plus fins sans craindre la surchauffe. Dans le livre d'Eranosyan, la tablette suivante est donnée :

Pourquoi la densité de courant dépend-elle de la puissance du transformateur ?
La quantité de chaleur dégagée est égale au produit des pertes spécifiques et du volume du fil. La quantité de chaleur dissipée est proportionnelle à la surface de l'enroulement et à la différence de température entre celui-ci et le fluide. Avec une augmentation de la taille du transformateur, le volume croît plus vite que la surface, et pour une même surchauffe, les pertes spécifiques et la densité de courant doivent être réduites. Pour les transformateurs d'une puissance de 4..5 kVA, la densité de courant ne dépasse pas 1..2 A/mm2.

Connaître le nombre de spires de l'enroulement primaire n Calculons son inductance. Pour un tore, il est déterminé par la formule :

L = μ 0 μ S avec n 2 / l une (5)

Où est la zone S avec donné en m2, longueur moyenne ligne magnétique l une en m, inductance en H, μ 0 \u003d 4π ⋅ 10 -7 H/m - constante magnétique.

Dans la version d'ingénierie, cette formule ressemble à ceci :

L = UNE L n 2(5A) , n = (L / A L) 1/2(5 B)

Coefficient AL et paramètre de puissance S o S c pour certains types d'anneaux sont donnés dans le tableau 2 :

Pour que le transformateur fonctionne comme appareil d'adaptation, la condition suivante doit être remplie :

L > (4 .. 10) R / (2 π f min) (6)

Où L- inductance en H, R \u003d U 2 eff / P n résistance de charge Ohm, réduite à l'enroulement primaire,
fmin- fréquence minimale Hz.

Dans les convertisseurs à clé, deux courants circulent dans l'enroulement primaire, un courant de charge rectangulaire Je pr \u003d U m / R et courant triangulaire
aimantation $$ I_T= (1 \sur L) \int_0^(T/2) U_1 dt = ( T \sur 2L )U_m $$

En fonctionnement normal, la valeur de la composante triangulaire ne doit pas dépasser 10 % de la composante rectangulaire, c'est-à-dire

L > 5 R / f (7)

Si nécessaire, augmentez le nombre de tours ou utilisez de la ferrite avec un plus grand μ . Il n'est pas souhaitable de surestimer le nombre de tours dans l'enroulement. En raison de la croissance de la capacité entre spires à la fréquence de fonctionnement, il peut y avoir vibrations résonnantes. La ferrite choisie doit avoir une induction maximale suffisante et de faibles pertes dans la bande de fréquence de fonctionnement. En règle générale, aux basses fréquences (jusqu'à 1 MHz), ferrite avec μ = 1000 .. 6000 , et aux fréquences radio, vous devez utiliser μ = 50 .. 400.

Le transformateur de l'exemple 1 est bobiné sur un anneau K28x16x9 en ferrite nickel-manganèse 2000NM à perméabilité magnétique μ = 2000.
Puissance de charge P = 40 W, tension effective de l'enroulement primaire Ueff = 100 V, fréquence f = 30 kHz.
Précisons le nombre de ses tours.

Résistance à la charge réduite : R = 100 2 / 40 = 250 Ohm
Zone de section transversale du noyau magnétique: Sc \u003d 0,54 cm 2 \u003d 0,54 ⋅ 10 -4 m 2
Longueur moyenne de la ligne magnétique : la \u003d π (D + d) / 2 \u003d π (2,8 + 1,6) ⋅ 10 -2 / 2 \u003d 6,9 ⋅ 10 -2 m
Facteur d'inductance : A L \u003d 4 π 10 -7 2000 0,54 10 -4 / 6,9 10 -2 \u003d 1963 nH / vit 2

Inductance minimale de l'enroulement primaire : L = 10 ⋅ 250 / (2π ⋅ 3 ⋅ 10 4) = 13,3 mH
Nombre de tours: n = (13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6) 1/2 = 82 Il est encore plus petit que précédemment calculé. n min = 87.
Ainsi, la condition d'inductance suffisante est remplie et le nombre de tours dans l'enroulement est n = 87.

Comme vous le savez, le noyau du transformateur remplit les fonctions d'un concentrateur d'énergie électromagnétique. Plus l'induction admissible est élevée B et la perméabilité magnétique μ, plus la densité de l'énergie transmise est grande et plus le transformateur est compact. Les soi-disant ont la perméabilité magnétique la plus élevée. ferromagnétiques - diverses connexions le fer, le nickel et certains autres métaux.

Le champ magnétique est décrit par deux grandeurs : l'intensité H (proportionnelle au courant d'enroulement) et l'induction magnétique B (caractérise la force d'action du champ dans le matériau). La relation entre B et H s'appelle la courbe de magnétisation d'une substance. Pour les ferromagnétiques, il a caractéristique intéressante- hystérésis (retard grec) - lorsque la réponse instantanée à l'impact dépend de son histoire.

Après avoir quitté le point zéro (cette section s'appelle la courbe de magnétisation principale), les champs commencent à courir le long d'une certaine courbe fermée (appelée boucle d'hystérésis). Des points caractéristiques sont marqués sur la courbe - induction de saturation B s , induction résiduelle B r et force coercitive H s .

Fig. 1. Propriétés magnétiques des ferrites. A gauche, la forme de la boucle d'hystérésis et ses paramètres. A droite, la courbe d'aimantation principale de la ferrite 1500NM3 à diverses températures et fréquences : 1 - 20 kHz, 2 - 50 kHz, 3 - 100 kHz.

Selon les valeurs de ces quantités, les ferromagnétiques sont conditionnellement divisés en durs et mous. Les premiers ont une boucle d'hystérésis large, presque rectangulaire et conviennent aux aimants permanents. Et les matériaux à boucle étroite sont utilisés dans les transformateurs. Le fait est qu'il existe deux types de pertes dans le noyau d'un transformateur - électriques et magnétiques. Les électriques (pour l'excitation des courants de Foucault de Foucault) sont proportionnels à la conductivité du matériau et à la fréquence, mais les magnétiques sont plus petits, plus l'aire de la boucle d'hystérésis est petite.

Les ferrites sont des poudres pressées d'oxydes de fer ou d'autres ferromagnétiques frittées avec un liant céramique. Un tel mélange combine deux propriétés opposées - la perméabilité magnétique élevée du fer et la mauvaise conductivité des oxydes. Cela minimise à la fois les pertes électriques et magnétiques et permet de réaliser des transformateurs fonctionnant à des fréquences élevées. Les propriétés fréquentielles des ferrites sont caractérisées par la fréquence critique f c à laquelle la tangente de perte atteint 0,1. Thermique - Température de Curie T c, à laquelle μ diminue brusquement jusqu'à 1.

Les ferrites domestiques sont marquées de chiffres indiquant la perméabilité magnétique initiale et de lettres indiquant la gamme de fréquences et le type de matériau.
La ferrite nickel-zinc basse fréquence la plus courante, désignée par les lettres HH. A une faible conductivité et une fréquence fc relativement élevée. Mais il a de grandes pertes magnétiques et une température de Curie basse.
La ferrite nickel-manganèse porte la désignation HM. Sa conductivité est plus grande, donc f c est faible. Mais les pertes magnétiques sont faibles, la température de Curie est plus élevée, il craint moins les chocs mécaniques.
Parfois, un nombre supplémentaire de 1, 2 ou 3 est ajouté au marquage des ferrites. Habituellement, plus il est élevé, plus la ferrite est stable en température.

Pour la technologie de conversion, la ferrite thermostable 1500NM3 avec fc = 1,5 MHz, Bs = 0,35..0,4 T et Tc = 200 ℃ est bonne.

Pour des applications spéciales, la ferrite 2000NM3 est produite avec une décammodulation normalisée (stabilité temporaire de la perméabilité magnétique). Il a fc=0.5MHz, Bs=0.35..0.4T et Tc=200℃.

Les ferrites de la série NMS ont été développées pour les transformateurs puissants et compacts. Par exemple, 2500NMS1 avec Bs=0,45 T et 2500NMS2 avec Bs=0,47 T. Leur fréquence critique est fc=0.4MHz, et la température de Curie est Tc>200℃.

Quant à l'induction admissible B m , ce paramètre est réglable et n'est pas normalisé dans la littérature. Environ peut être considéré B m = 0,75 V s min. Pour les ferrites de nickel-manganèse, cela donne environ 0,25 T. Compte tenu de la chute de B s aux températures élevées et du vieillissement dans les cas critiques, mieux vaut jouer la sécurité et réduire B m à 0,2 T.

Les principaux paramètres des ferrites courants sont résumés dans le tableau 3.

Tableau 3. Principaux paramètres de certains ferrites

Marque	100NN	400NN	600NN	1000NN	2000	2000nm	1000NM3	1500NM1	1500NM3
μ initiale	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
Bs, T	0,44	0,25	0,31	0,27	0,25	0,38..0,4	0,33	0,35..0,4	0,35..0,4

A une fréquence inférieure à fc critique, les pertes d'énergie dans l'aimant sont principalement composées de pertes de réaimantation, et les pertes par courants de Foucault peuvent être négligées.
L'expérience et la théorie montrent que la perte d'énergie par unité de volume (ou de masse) dans un cycle d'inversion de magnétisation est directement proportionnelle à
zone de la boucle d'hystérésis. Par conséquent, la puissance des pertes magnétiques :

P H = P 0 ⋅ V ⋅ f (8)

Où P0– les pertes spécifiques par unité de volume (mesurées à la fréquence f 0à l'initiation B0) ,V est le volume de l'échantillon.

Cependant, lorsque la fréquence augmente, l'induction de saturation diminue, la boucle d'hystérésis se déforme et les pertes augmentent. Pour rendre compte de ces facteurs, Steinmetz (C. P. Steinmetz, 1890-1892) a proposé une formule empirique :

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

Nous avons convenu que f 1 = 1 kHz, B 1 = 1 T; quantités P 1 , α, β indiqué dans le manuel.

Tableau 5. Pertes spécifiques dans certains ferrites

Marque	1500NM3	2000NM1-A,B		2000NM3	2000NM-17		3000NM-A	6000NM-1
F	-	0,4..100kHz	0,1..1MHz	-	0,4..100kHz	0,1..1MHz	0,4..200kHz	20..50kHz	50..100kHz
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

Pertes ohmiques au primaire à température ambiante et sans prise en compte de l'effet de peau :

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

Où j'eff- courant effectif, D - externe, d - diamètre interne de l'anneau, h - sa hauteur en mètres; n 1 - nombre de tours; nm - section transversale fils, en mm 2; ρ = 0,018 Ohm ⋅ mm 2 / m résistivité cuivre.

Pertes totales dans tous les enroulements à température élevée environnement:

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

P Σ = P H + P M (12)

Température de surchauffe estimée pour la convection naturelle :

ΔT = P Σ / (α m Scool) (13)

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

Trouvons les pertes dans le transformateur des exemples 1 et 2. Pour plus de simplicité, nous supposons que les enroulements secondaire et primaire sont les mêmes. Courant efficace
enroulement primaire Ieff \u003d 0,4 A. Pertes de cuivre dans l'enroulement primaire P M1 \u003d 0,4 2 ⋅ (0,018 / 0,08) (28 - 16 + 18) ⋅ 10 -3 ⋅ 87 0,1 W.
Pertes en cuivre des deux enroulements : P M = 0,2 W.

Selon les données de référence pour la ferrite 2000NM P 1 \u003d 32 W / kg, α \u003d 1,2, β \u003d 2,4, la masse du noyau K28x16x9 est de 20 grammes.
Perte de ferrite : PH \u003d 32 (30 / 1) 1,2 (0,25 / 1) 2,4 ⋅ 20 ⋅ 10 -3 \u003d 1,36 W

Pertes totales dans le transformateur : P Σ = 1,56 W. Efficacité approximative = (40 - 1,56) / 40 ⋅ 100 % 96 %

Sur la Fig.2. montré. Il comprend la résistance de la source r je, résistance à la charge réduite R \u003d n 2 R n ou R \u003d P n / U 2 eff, où n \u003d U 1 / U 2- rapport de transformation, Ueff- tension efficace de l'enroulement primaire.

Fig.2. Circuit équivalent d'un transformateur.

Les propriétés inertielles du transformateur déterminent la faible inductance de fuite Ls, inductance magnétisante Lμ(presque égale à l'inductance de l'enroulement primaire L1), capacité d'enroulement parallèle Avec p(capacité dite dynamique) et capacité série entre les enroulements C p.

L1 calculé par la formule (5) ou mesuré expérimentalement.
Selon l'inductance de fuite, l'ordre de grandeur est L s ~ L 1 / μ. Capacité C p est d'environ 1 pF par tour.

Le transformateur fonctionne comme un filtre passe-bande. Aux basses fréquences, c'est un filtre passe-haut avec une fréquence de coupure ω n = R / L μ.
Aux hautes fréquences, les éléments Ls et CP forment un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure ω dans ≈ (L s C p) -1/2.
Capacité série C p Ce n'est pas grand et n'affecte pas vraiment les performances.

Il existe deux résonances caractéristiques dans le modèle.

Basse fréquence (résonance magnétisante) en circuit parallèle Lμ C p
Sa fréquence f μ (1/ 2 π) ⋅ (L μ C p) -1/2, et la bonté Q μ (r je || R) ⋅ (L μ / C p) -1/2 (14)

Haute fréquence (résonance de diffusion) dans le circuit formé par Ls et C p.
Sa fréquence fs (1/ 2 π) ⋅ (L s C p) -1/2, et la bonté Q s (L s / C p) 1/2 / r je . (15)

La réponse en fréquence du transformateur est similaire à la réponse en fréquence d'un filtre passe-bande, mais à son bord supérieur, il y a une résonance fs donne un pic caractéristique.
La réponse aux impulsions dépend de l'inclusion de la source et des valeurs de résistance.
Avec une petite résistance interne de la source r je il n'y a que résonance fs sous la forme d'une "sonnerie" caractéristique sur les fronts d'impulsions.
Si la source est connectée via une clé, alors lorsqu'elle est ouverte, des oscillations intenses avec une fréquence fμ

Fig.3. Un exemple de réponse en fréquence et transitoire dans un transformateur. Son circuit équivalent est donné ci-dessous dans la figure 4.

Pour l'échantillon, un anneau de ferrite 3000NM de taille K10x6x2 a été prélevé. L'enroulement primaire était de 21 tours, le secondaire 14, le rapport de transformation n = 1,5, la résistance de charge était de 4,7 kOhm, la source était un générateur d'impulsions rectangulaires sur des microcircuits TTL avec un niveau de 6V, une fréquence de 1 MHz et une résistance interne r je 200 ohms.

Calculons les paramètres théoriques :
Sc \u003d 4 ⋅ 10 -6 m 2, la = 25,13 ⋅ 10 -3 m, A L théor = 600 nH / vit 2 , L 1theor \u003d 0,6 ⋅ 21 2 \u003d 265 μH , Ls theor 265/3000 = 0,09 µH , Théorie C p ou 21+14 = 35 pF.
Résistance à la charge réduite R \u003d n 2 Rn \u003d 2,25 ⋅ 4,7 ~ 10 kOhm.

Les résultats des mesures d'inductance avec l'instrument AKIP-6107 :
L 1 \u003d 269 μH , L 2 \u003d 118 μH, en court-circuitant l'enroulement secondaire, nous obtenons 2Ls = 6,8 µH, qui est de deux ordres de grandeur plus élevé que ses théoriciens de l'estimation.

La capacité dynamique Cp peut être estimée à partir de la formule (15) en appliquant au transformateur impulsions rectangulaires et mesurer avec un oscilloscope la période d'oscillation de la "sonnerie" sur les fronts des impulsions en sortie de l'enroulement secondaire. La fréquence de "sonnerie" fs s'est avérée être de 18,5 MHz, ce qui donne Cp 21 pF et correspond bien à l'estimation théorique.
Pour comparaison avec l'expérience, le circuit équivalent avec les paramètres mesurés a été modélisé dans le programme LT Spice.

Fig.4. Modèle de transformateur. Vout est la tension réduite, la tension réelle sera n fois inférieure.

Fig.5. Résultats de l'expérience. L'échelle de l'échelle verticale est de 1 volt par division.

Ainsi, le modèle construit sur la base des mesures L μ , L s et C p est en bon accord avec l'expérience.
L'estimation théorique de la capacité de 1 pF par tour pour les petits anneaux est acceptable, mais l'estimation de l'inductance de fuite diffère de deux ordres de grandeur de l'estimation réelle. Il est plus facile de déterminer par expérience.

Lorsque la tension est appliquée tu EMF d'induction apparaîtra sur l'enroulement dedans E : U = -E = n Sc dB / dt

Pour tension sinusoïdale avec amplitude euh : Um = n Sc ω Bm

D'où vient le nombre de tours n = Um / (Sc ω Bm)

En exprimant la fréquence circulaire à travers l'habituel et la surface en cm 2, nous obtenons la formule d'ingénierie: n = 0,16 ⋅10 4 / (f Bm Sc)

Pour une tension rectangulaire de magnitude euh : dB = dt Um / (n Sc)

En intégrant dans le temps de 0 à T/2 et en tenant compte que le champ passera de -Bm à +Bm en une demi-période, on obtient : 2Bm = (T / 2) Um / (n Sc)

En exprimant la période en termes de fréquence et l'aire en cm 2, nous obtenons la formule d'ingénierie : n = 0,25 ⋅10 4 / (f Bm Sc)

Il convient aux deux cas.

Selon la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, la relation entre la tension sur la bobine et la variation de l'induction magnétique dans celle-ci :

U dt = n Sc dB

Pendant le temps de 0 à T/2, l'induction va passer de -Bm à +Bm, en intégrant dans ces limites on obtient :

U cf = 4 n Sc Bm f

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

Mais les appareils ne mesurent pas la moyenne, mais la tension effective, qui équivaut à une énergie constante. La connexion entre le milieu et le courant
la contrainte donne le facteur de forme à f \u003d U eff / U cf. Pour le méandre, c'est 1, pour le sinus 1,11.
La tension efficace aux bornes de la bobine vaut donc :

U eff \u003d 4 k f n Sc Bm f

Nous estimons la puissance globale à partir des considérations suivantes. La fréquence f n'est pas grande, les pertes dues aux courants de Foucault et à l'inversion d'aimantation sont faibles, et la puissance
limité par la surchauffe du bobinage. Elle est déterminée par la densité de courant maximale j, qui est la même pour les deux enroulements.
Nous définissons la puissance globale comme la moitié de la somme des puissances des enroulements primaire et secondaire.

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 à f Sc Bm / 2 où S 1 et S 2 sont les aires des enroulements primaire et secondaire.

Cela peut être écrit en termes de surface de cuivre Sm :

Pgab = 2 k f f Sc Sm Bm j

La zone de cuivre est liée au facteur de remplissage de la fenêtre σ = Sm / S 0 .
Sigma est un certain coefficient empirique, égal à un minimum de 0,15 pour un enroulement monocouche et un maximum de 0,4 pour un multicouche (il ne conviendra plus).
En conséquence, notre formule ressemble à :

Pgab = 2 k F σ f Sc S 0 Bm j

Toutes les valeurs ici sont en SI.

Supposons que la tension a la forme d'un méandre, k f \u003d 1. Choisir la densité de courant j \u003d 2,2 A / mm 2,
facteur de remplissage σ \u003d 0,15, exprimant la surface en cm 2, Bm en T, fréquence en Hz, on obtient la formule de calcul :

Pgab = Sc S 0 f Bm / 150

Comme vous pouvez le voir, cette formule est dérivée avec une grande marge, il est vraiment possible d'obtenir plus de puissance du transformateur.

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Différents types d'équipements de transformateur sont utilisés dans les circuits électroniques et électriques, qui sont en demande dans de nombreux domaines d'activité économique. Par exemple, les transformateurs d'impulsions (ci-après dénommés IT) sont un élément important installé dans presque toutes les alimentations électriques modernes.

Selon la forme du noyau et le placement des bobines dessus, les TI sont produits dans les conceptions suivantes :

Les chiffres montrent :

A - un circuit magnétique constitué de nuances d'acier de transformateur fabriquées selon la technologie du métal laminé à froid ou à chaud (à l'exception d'un noyau toroïdal, il est en ferrite);
B - bobine de matériau isolant
C - fils qui créent une connexion inductive.

Notez que l'acier électrique contient peu d'additifs de silicium, car il provoque une perte de puissance due à l'effet des courants de Foucault sur le circuit du circuit magnétique. En IT de conception toroïdale, le noyau peut être en acier laminé ou ferrimagnétique.

Les plaques pour un ensemble d'un noyau électromagnétique sont sélectionnées en épaisseur en fonction de la fréquence. Avec une augmentation de ce paramètre, il est nécessaire d'installer des plaques d'épaisseur plus faible.

La principale caractéristique des transformateurs de type impulsionnel (ci-après dénommés IT) est qu'ils sont alimentés par des impulsions unipolaires avec une composante de courant constante, et donc le circuit magnétique est dans un état de polarisation constante. Indiqué ci-dessous schéma connexion d'un tel appareil.

Schéma : connexion d'un transformateur d'impulsions

Comme vous pouvez le voir, le schéma de connexion est presque identique aux transformateurs conventionnels, ce qui ne peut pas être dit sur le diagramme de synchronisation.

L'enroulement primaire reçoit des signaux impulsionnels ayant une forme rectangulaire e (t), dont l'intervalle de temps est assez court. Ceci provoque une augmentation de l'inductance pendant l'intervalle t u , après quoi on observe sa baisse dans l'intervalle (T-t u ).

Les chutes d'induction se produisent à une vitesse qui peut être exprimée en termes de constante de temps par la formule : τ p =L 0 /R n

Le coefficient décrivant la différence de la différence inductive est déterminé comme suit : ∆V=V max - V r

B max - le niveau de la valeur maximale d'induction;
En r - résiduel.

Plus clairement, la différence d'inductions est représentée sur la figure montrant le décalage du point de fonctionnement dans le circuit magnétique IT.

Comme on peut le voir sur le chronogramme, la bobine secondaire a un niveau de tension U 2 dans lequel il y a des surtensions inverses. C'est ainsi que se manifeste l'énergie accumulée dans le circuit magnétique, qui dépend de l'aimantation (paramètre i u).

Les impulsions de courant traversant la bobine primaire sont de forme trapézoïdale, puisque les courants de charge et linéaires (causés par la magnétisation du noyau) sont combinés.

Le niveau de tension dans la plage de 0 à t u reste inchangé, sa valeur e t = U m . Quant à la tension sur la bobine secondaire, elle peut être calculée à l'aide de la formule :

où:

Ψ est le paramètre de liaison de flux ;
S est une valeur qui affiche la section transversale du noyau magnétique.

Considérant que la dérivée caractérisant les variations du courant traversant la bobine primaire est une valeur constante, l'augmentation du niveau d'induction dans le circuit magnétique se produit de manière linéaire. Sur cette base, il est permis d'introduire la différence des indicateurs réalisés après un certain intervalle de temps au lieu de la dérivée, ce qui vous permet d'apporter des modifications à la formule :

dans ce cas, ∆t sera identifié avec le paramètre t u , qui caractérise la durée avec laquelle l'impulsion de tension d'entrée s'écoule.

Pour calculer la surface de l'impulsion avec laquelle la tension est formée dans l'enroulement secondaire de l'IT, il est nécessaire de multiplier les deux parties de la formule précédente par t u. En conséquence, nous arriverons à une expression qui nous permet d'obtenir le paramètre informatique principal :

U m x t u =S x W 1 x ∆V

Notez que la valeur de la zone d'impulsion dépend directement du paramètre ∆В.

La deuxième valeur la plus importante caractérisant le fonctionnement de l'informatique est la chute d'induction, elle est influencée par des paramètres tels que la section et la perméabilité magnétique du noyau du circuit magnétique, ainsi que le nombre de tours sur la bobine :

Ici:

L 0 - différence d'induction;
µ a est la perméabilité magnétique du noyau ;
W 1 - le nombre de tours de l'enroulement primaire;
S est la section transversale du noyau;
l cp - longueur (périmètre) du noyau (circuit magnétique)
B r est la valeur de l'induction résiduelle ;
En max - le niveau de la valeur maximale de l'induction.
H m - Intensité du champ magnétique (maximum).

Considérant que le paramètre d'inductance IT dépend entièrement de la perméabilité magnétique du noyau, le calcul doit être basé sur la valeur maximale de µ a, qui est indiquée par la courbe d'aimantation. Ainsi, pour le matériau constituant le noyau, le niveau du paramètre B r , qui reflète l'induction résiduelle, doit être minimal.

Vidéo: une description détaillée du principe de fonctionnement d'un transformateur d'impulsions

Sur cette base, une bande en acier de transformateur est idéale pour le rôle du matériau de base informatique. Vous pouvez également utiliser le permalloy, dans lequel un paramètre tel que le coefficient d'équerrage est minimal.

Les noyaux en alliage de ferrite sont idéaux pour l'informatique haute fréquence car ce matériau présente de faibles pertes dynamiques. Mais du fait de sa faible inductance, il est nécessaire d'en faire de grandes tailles.

Nuance de ferrite

Considérez comment il est nécessaire de calculer IT. Noter Efficacité de l'appareil est directement liée à la précision des calculs. A titre d'exemple, prenons un circuit convertisseur classique utilisant un IT de type toroïdal.

Tout d'abord, nous devons calculer le niveau de puissance informatique, pour cela nous utilisons la formule : P \u003d 1,3 x P n.

La valeur de P n affiche la puissance consommée par la charge. Après cela, nous calculons la puissance globale (P gb), elle ne doit pas être inférieure à la puissance de charge :

Paramètres requis pour le calcul :

S c - affiche la section transversale du noyau toroïdal;
S 0 - la zone de sa fenêtre (à titre indicatif, cette valeur et la valeur précédente sont indiquées sur la figure);

B max est l'induction crête maximale, elle dépend de la marque de matériau ferromagnétique utilisée (la valeur de référence est tirée de sources décrivant les caractéristiques des nuances de ferrite) ;
f est un paramètre caractérisant la fréquence avec laquelle la tension est convertie.

L'étape suivante consiste à déterminer le nombre de tours dans l'enroulement primaire Tr2 :

(les résultats sont arrondis)

La valeur de U I est déterminée par l'expression :

U I \u003d U / 2-U e (U est la tension d'alimentation du convertisseur; U e est le niveau de tension fourni aux émetteurs des éléments de transistor V1 et V2).

Passons au calcul courant maximal passant par l'enroulement primaire IT :

Le paramètre η est égal à 0,8, c'est le rendement avec lequel notre convertisseur doit fonctionner.

Le diamètre du fil utilisé dans l'enroulement est calculé par la formule :

Si vous rencontrez des problèmes pour déterminer les principaux paramètres informatiques, vous pouvez trouver des sites thématiques sur Internet qui vous permettent de calculer en ligne tous les transformateurs d'impulsions.