Импульсный трансформатор: принцип работы, расчет

Вопросы и ответы

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

В зависимости от формы сердечника и расположения на нем витков ИТ изготовляют в следующих исполнениях:

  • столб;
  • бронированный;
  • бронированный стержень;

Цифры показывают:

  • А — магнитопровод из трансформаторных марок стали, изготовленный по технологии холоднокатаного или горячекатаного металла (за исключением тороидального сердечника, он изготавливается из феррита);
  • Б — катушка из изоляционного материала
  • С — провода, создающие индуктивную связь.

Отметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, так как он вызывает потери мощности от воздействия вихревых токов на цепь магнитопровода. В ИТ тороидальной конструкции сердечник может быть изготовлен из катаной или ферримагнитной стали.

Пластины для комплекта с электромагнитным сердечником подбираются по толщине в зависимости от частоты. При увеличении этого параметра необходимо устанавливать плиты меньшей толщины.

Второй способ разборки импульсного трансформатора

Это самый популярный и дешевый способ.

Просто возьмите глубокую посуду нужного размера и нагрейте в ней воду до кипения.

Затем берем палку, которая длиннее диаметра бочки и ровно посередине привязываем медную проволоку или толстые провода. Другой конец провода подключаем к контактам трансформатора.

Погрузите трансформатор в кипящую воду.

Важно, чтобы разобранный импульсный трансформатор не касался дна, а находился примерно посередине. Это необходимо для равномерного прогрева со всех сторон.

Ждем 10-15 минут, достаем провода и аккуратно, без лишних усилий, разъединяем половинки жилы. Обязательно наденьте перчатки, потому что сердцевина очень горячая.

Третий способ разборки — мощный паяльник

 

Я использовал этот метод много раз.

Включаем мощный паяльник, например 100Вт, и ждем, пока он полностью не нагреется.

Устанавливаем трансформатор под корпус паяльника, где находится нагревательный элемент.

Для равномерного нагрева самое главное, чтобы не было зазора. Через 10-15 минут прогрейте другую сторону.

Потом пробуем разобрать. Если клей еще не ослаб, продолжайте нагрев. Не применяйте силу, иначе сердцевина может быть повреждена.

Во всех случаях необходимо разогревать ядро, поэтому не забывайте о правилах безопасности.

Намотка импульсных трансформаторов

Одной из наиболее важных частей источника питания переменного тока является импульсный трансформатор. — Но где взять что-нибудь подходящее? спросите некоторых товарищей. Я постараюсь облегчить вам задачу. Просто найдите трансформатор с нужным сердечником, и я покажу вам, как его перемотать.

Предполагается, что необходимое количество витков обмотки и диаметры проводов вам известны.

Итак, что нам нужно:

1. Провода. Для обмоточных трансформаторов применяют провода в двойной и тройной изоляции. Можно взять провода подходящего диаметра от старых силовых трансформаторов или реле (например, провод ПЭВ-2).

2. Сердечник от старого/сгоревшего/неподходящего импульсного трансформатора.

Допустим, у нас есть рамка, как на рисунке. Нам нужно намотать трансформатор, такой как в правом нижнем углу картинки.

Сначала наматываем первичную обмотку. Один конец провода зачищаем и припаиваем к четвертой ножке трансформатора. Это будет начало обмотки. Наматываем катушку нити на катушку снизу вверх, в направлении, указанном на рисунке.

Когда первый слой заполнен, начинаем заворачивать второй слой, также виток к витку, но сверху вниз. Последний слой необходимо равномерно распределить по всей высоте сердцевины. Оставшийся конец провода зачищаем и припаиваем к первой ножке.

После этого наматываем несколько слоев утеплителя, например полиэфирной или фторопластовой пленки. Утеплитель нужно намотать так, чтобы он был снизу до упора, с небольшим запасом, и до самого верха тоже с запасом.

Делается небольшой запас, чтобы полностью исключить возможность соскальзывания вторичной обмотки, которая будет поверх изоляции, на первичную, так как это очень опасно (полное замыкание обмоток и то, что напряжение с первичной обмотки поступает во вторичную цепь).

Затем мотаем вторичную обмотку. Зачищаем и припаиваем один конец провода к восьмой ножке трансформатора. Это будет начало обмотки. Наматываем катушку нити на катушку снизу вверх, в направлении, указанном на рисунке.

Когда первый слой заполнен, начинаем заворачивать второй слой, также виток к витку, но сверху вниз. Последний слой необходимо равномерно распределить по всей высоте сердцевины. Оставшийся конец провода зачищаем и припаиваем к пятой ножке.

И, наконец, поверх вторичной обмотки снова наматываем несколько слоев изоляции. Вот и все, трансформер готов.

При намотке необходимо избегать образования перегибов или узлов на проводе, так как изоляция в таком месте испортится, чего полно в межвитковом замыкании.

Для намотки не рекомендуется использовать провод толще AWG26 (0,4 мм) из-за появления скин-эффекта (поток высокочастотных токов проходит не по всему объему проводника, а только по поверхности слой). Если при расчете выяснилось, что нужен провод толще 0,4 мм, нужно использовать намотку двойным или тройным проводом 0,4 мм.

Как намотать импульсный трансформатор

Затем демонтировал трансформатор. Далее нам нужно выяснить зачем или под что мы хотим перемотать импульсный трансформатор.

Можно перемотать трансформатор для самого блока питания ПК, это делается для повышения выходного напряжения, при переделке блока питания ПК на регулируемый.

В этом случае можно оставить первичную обмотку родной. Чаще всего первичная обмотка импульсных трансформаторов от блока питания ПК делится на две части.

То есть наматывается первая половина первичной обмотки, затем наматывается вторичная обмотка, а сверху наматывается вторая половина первичной обмотки. Кроме того, первичные полуобмотки могут иметь экран в виде медной фольги.

Итак, размотав родную вторичную обмотку, можно посчитать количество витков, затем намотать вторичную обмотку еще на несколько витков и восстановить верхнюю половину первичной обмотки. Таким образом, мы сэкономим лакированную проволоку.

Лично я при переделке блоков питания ПК на регулируемый первичную и вторичную обмотки перематываю с нуля, и пересчитываю их в программе Lite-CalcIT.

В новом расчете следует учесть, что частота ШИМ для блоков питания ПК составляет 30-36 кГц.

Приведу пример расчета и намотки импульсного трансформатора на сердечнике от БП ПК.

Загрузите и запустите программу Lite-CalcIT.
Вводим нужные нам напряжения и диаметры обмоточных проводов. Мы также указываем схему преобразования и схему выпрямления.

Частота преобразования в моем случае 50 кГц, если трансформатор предназначен для преобразования блока питания ПК в регулируемый, то следует указать частоту преобразования 30 кГц, иначе из-за малого числа витков произойдет насыщение сердечника и через первичную обмотку будет протекать очень большой ток холостого хода.

Вторичных обмоток будет две, с напряжением от середины.

Номинальное напряжение указано для одной обмотки.

В моем расчете номинальное напряжение 32 Вольта, значит после выпрямления по отношению к средней мощности мы получим +32 Вольта и -32 Вольта. Так как я считаю трансформатор для импульсного блока питания УНЧ, то питание мне нужно двухполярное +-32 Вольта соответственно схема выпрямителя двухполярная, с центральной точкой.

Если мы будем рассчитывать трансформатор для переделки блока питания ПК, то в программе ничего менять не нужно, кроме частоты (30 кГц), то есть у нас тоже будет две вторичные обмотки. Единственное, что изменится, это схема выпрямителя, она будет однополярной с центральной точкой.

Затем вводим размеры и другие параметры ядра, полученные от ПК БП.

Ничего сложного в расчете нет. При этом я получил следующие параметры:

  • Число витков первичной обмотки 38;
  • Число витков вторичной обмотки 10+10 двумя жилами указанного провода.

38 витков первичной обмотки в один слой в мой каркас не влезет, поэтому буду мотать в два слоя по 18 витков.Припаиваем провод к разъему и мотаем 18 витков, один к другому. Если смотреть на каркас сверху, то все обмотки я наматываю по часовой стрелке.

Затем добавляю слой утеплителя. Изоляцию использую как есть, либо лоу-сан пленка из ненужных остатков витой пары, либо скотч.

После этого, не меняя направления, мотаем еще 18 витков к низу каркаса, один к другому.Припаять разъем.

Я изолировал. Все, первичка готова.

Читайте также: Сопротивление заземления: методы измерения и периодичность

Пример намотки первичной обмотки на частоту 30 кГц.

По расчетам получил количество витков первичной обмотки, равное 48. В первый слой положил 35 витков.

Затем слой утеплителя и оставшиеся 13 витков, равномерно распределенных по всей длине каркаса.

Изолируйте первичную обмотку от вторичной.

PS Если рассчитанное количество витков не умещается в один слой, то его можно разделить на две равные половины, либо намотать в один слой такое количество витков, которое уместится на всю длину рамы. Остальные витки, которые не подошли, распределяются равномерно по всей длине каркаса сердечника.

Принцип работы

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

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы прямоугольной формы e(t), временной интервал между которыми достаточно мал. Это вызывает увеличение индуктивности в течение интервала tu, после чего наблюдается ее уменьшение в интервале (T-tu).

Падения индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τp=L0/Rn

Коэффициент, характеризующий разность индуктивной, определяется следующим образом: ∆B=Bmax — Br

  • Вmax – уровень максимального значения индукции;
  • Вр – оставшийся.

Более наглядно различие индуктивностей показано на рисунке, показывающем смещение рабочей точки в магнитопроводе ИТ.

Как видно на временной диаграмме, вторичная обмотка имеет уровень напряжения U2, где имеется возврат. Так проявляется накопленная в магнитопроводе энергия, зависящая от намагниченности (параметр iu).

Импульсы тока, проходящие через первичную катушку, имеют трапециевидную форму, поскольку нагрузочный и линейный токи (вызванные намагничиванием сердечника) объединяются.

Учитывая, что производная, характеризующая изменение тока, проходящего через первичную обмотку, является постоянной величиной, рост уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допускается вместо производной вводить разницу между показателями, сделанными через определенный интервал времени, что позволяет вносить изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет определяться параметром tu, характеризующим длительность, с которой протекает импульс входного напряжения.

Для расчета площади импульса, с которым формируется напряжение во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на ту. В результате придем к выражению, позволяющему получить важнейший параметр ИТ:

Um x tu=S x W1 x ∆V

Отметим, что величина площади импульса напрямую зависит от параметра ∆В.

Второй по важности величиной, характеризующей работу ИТ, является падение индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также число витков катушки:

Здесь:

  • L0 — разность индуктивностей;
  • µa – магнитная проницаемость сердечника;
  • W1 – число витков первичной обмотки;
  • S — площадь поперечного сечения сердечника;
  • lкр — длина (окружность) сердечника (магнитопровода)
  • Вr – значение остаточной индукции;
  • Bmax — уровень максимального значения индукции.
  • Hm — Напряженность магнитного поля (максимальная).

Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, расчет должен основываться на максимальном значении мкА, показанном кривой намагничивания. Соответственно, для материала, из которого изготовлен сердечник, уровень параметра Br, отражающего остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Исходя из этого, на роль материала сердечника ИТ идеально подходит лента из трансформаторной стали. Также можно использовать пермаллой, где такой параметр, как квадратичный коэффициент, минимален.

Сердечники из ферритового сплава идеально подходят для высокочастотных ИТ, поскольку этот материал имеет низкие динамические потери. Но из-за малой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо рассчитывать ИТ. Отметим, что эффективность устройства напрямую связана с точностью вычислений. В качестве примера возьмем обычную схему преобразователя, в которой используется ИТ тороидального типа.

В первую очередь нам необходимо рассчитать уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р = 1,3 х Рн.

Значение PH показывает, сколько электроэнергии потребляет нагрузка. После этого вычисляем общую мощность (Rgb), она не должна быть меньше мощности нагрузки:

Параметры, необходимые для расчета:

  • Sc — показывает площадь поперечного сечения тороидального сердечника;
  • S0 – площадь окна (как интуитивно понятно, это и предыдущее значение показаны на рисунке);
  • Vmax — максимальная пиковая индукция, зависит от того, какая марка ферромагнитного материала используется (справочное значение взято из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
  • f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.

Следующим шагом необходимо определить количество витков в первичной обмотке Тр2:(результаты округляются)

Значение UI определяется выражением:

UI=U/2-Ue (U — напряжение питания преобразователя; Ue — уровень напряжения, подаваемого на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

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

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

Диаметр провода, используемого в обмотке, рассчитывается по формуле:

Осталось рассчитать выходную обмотку ИТ, а именно количество витков провода и его диаметр:

Если у вас возникли проблемы с определением наиболее важных параметров ИТ, вы можете найти в Интернете тематические сайты, позволяющие рассчитать любые импульсные трансформаторы в режиме онлайн.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector