Расчет импульсного трансформатора

Как выбрать ферритовый кольцевой сердечник?

Выбрать примерный размер ферритового кольца можно при помощи калькулятора для расчета импульсных трансформаторов и справочника по ферритовым магнитопроводам. И то и другое Вы можете найти в «Дополнительных материалах».

Вводим в форму калькулятора данные предполагаемого магнитопровода и данные, полученные в предыдущем параграфе, чтобы определить габаритную мощность срдечника.

Не стоит выбирать габариты кольца впритык к максимальной мощности нагрузки. Маленькие кольца мотать не так удобно, да и витков придётся мотать намного больше.

Если свободного места в корпусе будущей конструкции достаточно, то можно выбрать кольцо с заведомо бо’льшей габаритной мощностью.

В моём распоряжении оказалось кольцо М2000НМ типоразмера К28х16х9мм. Я внёс входные данные в форму калькулятора и получил габаритную мощность 87 Ватт. Этого с лихвой хватит для моего 50-ти Ваттного источника питания.

Запустите программу. Выберете «Pacчёт тpaнcфopмaтopa пoлумocтoвoго пpeoбpaзoвaтeля c зaдaющим гeнepaтopoм».

Чтобы калькулятор не «ругался», заполните нолями окошки, неиспользуемые для расчёта вторичных обмоток.

Вернуться наверх к меню.

Как рассчитать число витков первичной обмотки?

Вводим исходные данные, полученные в предыдущих параграфах, в форму калькулятора и получаем количество витков первичной обмотки. Меняя типоразмер кольца, марку феррита и частоту генерации преобразователя, можно изменить число витков первичной обмотки.

Нужно отметить, что это очень-очень упрощённый расчёт импульсного трансформатора.

Но, свойства нашего замечательного блока питания с самовозбуждением таковы, что преобразователь сам адаптируется к параметрам трансформатора и величине нагрузки, путём изменения частоты генерации. Так что, с ростом нагрузки и попытке трансформатора войти в насыщение, частота генерации возрастает и работа нормализуется. Точно также компенсируются и мелкие ошибки в наших вычислениях. Я пробовал менять количество витков одного и того же трансформатора более чем в полтора раза, что и отразил в ниже приведённых примерах, но так и не смог обнаружить никаких существенных изменений в работе БП, кроме изменения частоты генерации.

Вернуться наверх к меню.

О том, почему решили пойти учиться

Максим:

В какой-то момент я понял, что мне недостаточно текущего влияния на продукт. Кроме того, мой взгляд на его развитие был внесистемным, принимаемые продуктовые решения непонятными. Я хорошо понимал,как мы разрабатываем новые фичи со стороны технической, но мало понимал,зачем мы их разрабатываем со стороны бизнеса, почему мы делаем то, что делаем. Курс стал лучшим ответом на все эти вопросы.

Егор:

Смена фокуса с «делаю, потому что надо» на «сделал для того, чтобы <�…>» и получение понимания, как достичь этого фокуса. Желание попробовать себя в новой сфере и понять, насколько мне близка роль продакта. Выход из зоны комфорта.

Аня:

Август 2020. Пару месяцев назад из аналитика меня сделали младшим продуктовым менеджером. Продукта нет, клиентов нет. Мне очень страшно, я изучаю рынок и впервые в жизни пишу требования для продукта. В какой-то момент я перестала понимать, какую ценность приношу команде, что ребята вообще от меня ожидают. Мы поговорили про это с нашим тимлидом, и он скинул ссылку на курс в CS центре, я решила попробовать и отправила заявку.

Люба:

Я была самоучкой и пошла на курс для систематизации своих знаний в управлении продуктом и расширения кругозора в менеджменте в IT-индустрии.

Разновидности

В зависимости от конструктивных особенностей различают следующие разновидности импульсных трансформаторов:

  • стержневые;
  • броневые;
  • тороидальные, с намоткой провода на изолированный сердечник, не предполагающие применения катушек;
  • бронестержневые.


Виды магнитопроводов Поперечное сечение сердечника в большинстве устройств выполняется в форме круга или прямоугольника, по аналогии с силовыми аппаратами.

Также читайте: Что такое высоковольтный выключатель

Основные характеристики устройств нанесены на корпус, поэтому из условного обозначения можно почерпнуть информацию об главных параметрах оборудования.

Порядок проверки исправности

Для проверки исправности импульсного трансформатора используется аналоговый или цифровой мультиметр. Цифровое устройство обладает преимуществами, благодаря удобству применения. Его не нужно дополнительно подстраивать, достаточно убедиться в наличии питания и целостности проводов подключения.

Также читайте: Что такое трансформатор

Аналоговый мультиметр настраивается следующим образом:

  • выбирается режим эксплуатации переключением в область минимальной величины сопротивления при измерении;
  • провода вставляются в контакты прибора и соприкасаются друг с другом;
  • специальной подстройкой стрелка выставляется на ноль;

Если совместить стрелку с нулём не получается, это говорит о проблемах с элементами питания, нуждающимися в замене.

Если трансформатор является составной частью некоторого аппарата, желательно отделить этот элемент от остальной конструкции, чтобы исключить воздействие сопутствующих помех при диагностике.

Проверка с помощью осцилографа:

Неисправность прибора может объясняться следующими проблемами:

  • повреждённым сердечником;
  • подгоревшими соединениями;
  • нарушением изоляции проводов, вызывающим короткое замыкание обмотки;
  • разрывом провода.

Кроме инструментальных измерений, необходимо обращать внимание на внешний вид аппарата. О неисправности может свидетельствовать подгоревшая обмотка, следы гари и соответствующий запах

Необходимые сведения

Для изготовления намоточного изделия необходимо руководствоваться множеством сведений. От этого напрямую будет зависеть качество, срок службы готового блока питания. Следует грамотно подойти к процессу расчета, учесть такие показатели, как магнитную индуктивность, КПД и плотность тока. Иначе изделие получится ненадежным и скоро выйдет из строя. К основным характеристикам следует отнести:

Читать также: Как просверлить дрелью отверстие в бетонной стене

  • Входное напряжение сети. Оно зависит от источника, к которому будет подключен трансформатор. Стандартными являются: 110 В, 220 В, 380 В, 660 В. На практике оно может быть любым, что зависит от характеристик промежуточных цепей.
  • Выходное напряжение трансформатора — величина, требуемая для обеспечения стабильной работы потребителя. Часто требуется изготовить изделие с несколькими номиналами или с регулируемым напряжением. Тогда необходимо учитывать максимальную его величину.
  • Ток в нагрузке. При фиксированном значении рассчитываются жесткие характеристики устройства, но часто требуется обеспечить регулируемую величину, тогда потребуется учесть максимальную его величину.
  • Частота сети. У нас применяется европейский стандарт, то есть 50 Гц.
  • Мощность нагрузки. Это не основной параметр, потому что ее можно определить по напряжению и току.
  • Количество выходных обмоток. В некоторых электронных приборах используются блоки питания с несколькими выходными напряжениями. Для изготовления силовой электроники используется в основном один номинал, например, для сварочных трансформаторов.

Также потребуется учесть тип сердечника, потому что от его конструкции напрямую зависит принцип расчета показателей изделия. Существует много разновидностей как конструкций, так и материалов. Если учитывать последние нет смысла из-за незначительных погрешностей, то форма и размеры имеют большое значение. Поэтому необходимы разные алгоритмы расчета, что зависит от этого критерия. Начнем с самого простого и распространенного.

Не всегда требуется расчет вести с требуемых данных. Нередко в наличии есть какое-то железо, тогда потребуется определить мощность трансформатора по сечению магнитопровода. Программы онлайн, имеющиеся в интернете, позволяют определять параметры любым порядком.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику. Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор. Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

  • напряжение первичной и вторичной обмотки;
  • габаритны сердечника;
  • толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

  • U1 — напряжение первичной обмотке, В.
  • S — площадь сердечника, см².
  • K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

  • d — диаметр провода, мм.
  • I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т. е. поместится ли обмотка на каркас. Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Особенности автотрансформатора

Например, мощность магнитопровода 250 Вт, на входе 220 вольт, на выходе требуется получить 240 вольт. Разница напряжений составляет 20 В, при мощности 250 Вт ток будет равен 12,5 А. Такое значение тока соответствует мощности 12,5*240=3000 Вт. Потребление сетевого тока составляет 12,5+250/220=13,64А, что как раз и соответствует 3000Вт=220В*13,64А. Трансформатор имеет одну обмотку на 240 В с отводом на 220 В, который подключён к сети. Участок между отводом и выходом мотается проводом, рассчитанным на 12,5А.

Трансформатор тороидального типа

Тороидальные трансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами: меньший размер, меньший вес и при этом большее КПД. При этом они легко наматываются и перематываются. Использование онлайн-калькулятора для расчёта тороидального трансформатора позволяет не только сократить время изготовления изделия, но и «на лету» поэкспериментировать с разными вводными данными. В качестве таких данных используются:

  • напряжение входной обмотки, В;
  • напряжение выходной обмотки, В;
  • ток выходной обмотки, А;
  • наружный диаметр тора, мм;
  • внутренний диаметр тора, мм;
  • высота тора, мм.

Необходимо отметить, что почти все онлайн-программы не демонстрируют особой точности в случае расчёта импульсных трансформаторов. Для получения высокой точности можно воспользоваться специально разработанными программами, например, Lite-CalcIT, или рассчитать вручную. Для самостоятельного расчёта используются следующие формулы:

  1. Мощность выходной обмотки: P2=I2*U2, Вт.
  2. Габаритная мощность: Pg=P2/Q, Вт. Где Q — коэффициент, берущийся из справочника (0,76−0,96).
  3. Фактическое сечение «железа» в месте размещения катушки: Sch= ((D-d)*h)/2, мм2.
  4. Расчётное сечение «железа» в месте расположения катушки: Sw =√Pq/1.2, мм2
  5. Площадь окна тора: Sfh=d*s* π/4, мм2.
  6. Значение рабочего тока входной обмотки: I1=P2/(U1*Q*cosφ), А, где cosφ справочная величина (от 0,85 до 0,94).
  7. Сечение провода находится отдельно для каждой обмотки из выражения: Sp = I/J, мм2., где J- плотность тока, берущаяся из справочника (от 3 до 5).
  8. Число витков в обмотках рассчитывается отдельно для каждой катушки: Wn=45*Un*(1-Y/100)/Bm* Sch шт., где Y — табличное значение, которое зависит от суммарной мощности выходных обмоток.
  9. Остается найти выходную мощность и расчёт тороидального силового трансформатора считается выполненным. Pout = Bm*J*Kok*Kct* Sch* Sfh /0,901, где: Bm — магнитная индукция, Kok — коэффициент заполнения проводом, Kct —коэффициент заполнения железом.

Все значения коэффициентов берутся из справочника радиоаппаратуры (РЭА). Таким образом, проводить вычисления в ручном режиме несложно, но потребуется аккуратность и доступ к справочным данным, поэтому гораздо проще использовать онлайн-сервисы.

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

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

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

На рисунках обозначены:

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

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

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

Разновидности материалов

Представленное оборудование изготавливается из различных материалов. Создавая блоки питания представленного типа, потребуется рассмотреть все возможные варианты. Применяются следующие материалы:

  1. Электротехническая сталь.
  2. Пермаллой.
  3. Феррит.

Одним из лучших вариантов является альсифер. Однако его практически не найти в свободной продаже. Поэтому, желая создать оборудование самостоятельно, его не рассматривают в качестве возможного варианта.

Чаще всего для создания сердечника применяется электротехническая сталь марок 3421-3425, 3405-3408. Магнитно-мягкими характеристиками известен пермаллой. Это сплав, который состоит из никеля и железа. Его легируют в процессе обработки.

Для импульсов, интервал которых находится в пределах наносекунды, используется феррит. Этот материал имеет высокое удельное сопротивление.

Как проверить устройство

После сборки ИТ, его проверяют. Методик, как проверить собранный собственноручно или приобретенный импульсный трансформатор, предостаточно. Для проверки собирают схемы с использованием частотных генераторов, осциллографов, мультиметров и других приборов, которые не только подтверждают работоспособность ИТ.

Они выполняют его тестирование в различных частотных диапазонах. В импульсном трансформаторе не допускается разомкнутое состояние вторичной обмотки, такой режим относится к категории небезопасных режимов.


Как проверить импульсный трансформатор.

Также должны иметь минимальную индуктивность рассеивания, динамическую емкость и сопротивление; быть достаточно прочными механически.

Он должен обладать виброустойчивостью и выдерживать воздействие значительных электродинамических сил, возникающих как в нормальном режиме работы, так и, особенно, при коротких замыканиях цепи нагрузки.

Требования высокой электрической прочности и минимальной индуктивности рассеяния взаимно противоречивы. Так как для увеличения электрической прочности необходимо увеличивать толщину и изоляции, в то время как для уменьшения индуктивности рассеяния требуется уменьшать толщину.

Будет интересно Необходимые условия для выполнения параллельной работы трансформаторов

Порядок расчета импульсного трансформатора

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

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

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

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

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

Далее необходимо определить максимальный ток (в амперах) первичной обмотки: I1 max = Pн/h U1 (h — КПД преобразователя, обычно 0,8) и диаметр (в миллиметрах ее провода: d1 = 0,6√I 1 max.

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

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

Держатель для платы
Материал: АБС + металл, размер зажима печатной платы (max): 20X14 см…

Подробнее

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

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

Частоту преобразования f выберем равной 105 Гц. В качестве магнитопровода используем кольцо типоразмера К38х24х7 из феррита марки 2000НН (Вmax = 0.25 T ).

Определим площадь сечения Sc = (3,8 — 2,4) · 0,7/2 = 0,49 см2 и площадь окна выбранного магнитопровода So=p ·2,42 ÷ 4 = 4,5 см2, рассчитаем габаритную мощность трансформатора Ргаб=0,49·4,5·105·0,25/150= = 367 Вт.  Условие Ргаб ≥ Рисп выполняется.

Теперь определим напряжение на первичной обмотке трансформатора и число витков:

U1 = (285/2) — 1,6 = 141 В; w1 = (0,25 ∙104 ∙ 141) ÷ (105 ∙ 0,25 ∙ 0,49) ≈ 29.

Для исключения насыщения магнитопровода выбираем w1 = 30.

Далее рассчитаем максимальный ток в первичной обмотке и диаметр провода:

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

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

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

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

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

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

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

  • стержневом;

    Конструкция стержневого импульсного трансформатора

  • броневом;

    Конструкция импульсного трансформатора в броневом исполнении

  • тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник);

    Конструкция тороидального импульсного трансформатора

  • бронестержневом;

    Конструктивные особенности бронестержневого импульсного трансформатора

На рисунках обозначены:

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

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

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

Разновидности

Выделяют разные типы импульсной схемы силового оборудования. Агрегаты отличаются в первую очередь формой конструкции. От этого зависят эксплуатационные характеристики. По виду обмотки различают агрегаты:

  • Тороидальный.
  • Броневой.
  • Стержневой.
  • Бронестержневой.

Поперечное сечение сердечника бывает прямоугольное, круглое. Маркировка обязательно содержит информацию об этом факте. Также различают тип обмоток. Катушки бывают:

  • Спиральные.
  • Цилиндрические.
  • Конические.

В первом случае индуктивность рассеивания будет минимальной. Представленный тип преобразователя применяется для автотрансформаторов. Намотка при этом выполняется из фольги или тенты из специального материала.

Цилиндрический тип обмотки характеризуется низким показателем рассеивания индуктивности. Это простая , технологичная конструкция.

Конические разновидности значительно уменьшают рассеивание индуктивности. Емкость обмоток при этом мало увеличивается. Изоляция между двумя слоями обмоток пропорциональна напряжению между первичными витками. Толщина контуров увеличивается от начала к концу.

Представленное оборудование отличается различными эксплуатационными характеристиками. В их число входят габаритная мощность, напряжение на первичной, вторичной обмотке, масса и размер. При указании маркировки учитываются перечисленные характеристики.

Запасные варианты и поддержка старых браузеров

▍Использование supports

Пару месяцев назад мне отправили твит, в котором говорилось, что в IE11 мой сайт не может нормально работать. После того, как я это проверил, я заметил, что сайт, и правда, ведёт себя в IE11 очень странно. Всё содержимое сайта съехало в его левую верхнюю область. Работать с сайтом стало совершенно невозможно.

Проблема с сайтом в IE11

Да, это мой сайт, сайт фронтенд-разработчика, открытый в IE11. Поначалу я почувствовал себя сбитым с толку. Почему это происходит? Тогда я вспомнил, что CSS Grid поддерживается в IE11, но речь идёт о старой версии технологии, выпущенной Microsoft. Решение этой проблемы оказалось очень простым. Оно заключалось в использовании директивы @supports, направленной на то, чтобы технология CSS Grid использовалась бы только в новых браузерах.

@supports (grid-area: auto) { body { display: grid; } }

Поясню этот код. Я воспользовался здесь проверкой свойства grid-area из-за того, что оно существует только в новой спецификации, которая вышла в марте 2020 и продолжает оставаться актуальной. Так как IE не поддерживает использование директивы @supports, он проигнорирует всё это правило. В результате современный CSS Grid-макет будет использоваться только в тех браузерах, которые его поддерживают.

▍Использование Flexbox-макета как запасного варианта, применяемого вместо Grid-макета

Если Flexbox не подходит для формирования сеточных Grid-макетов, это ещё не значит, что данная технология не может играть роль запасного варианта, применяемого вместо таких макетов. Flex можно использовать как замену Grid в тех браузерах, которые не поддерживают Grid. Вот созданный мной инструмент, который предназначен для преобразования Grid-макетов во Flex-макеты.

@mixin grid() { display: flex; flex-wrap: wrap; @supports (grid-area: auto) { display: grid; grid-gap: 16px 16px; } } @mixin gridAuto() { margin-left: -16px; > * { margin-bottom: 16px; margin-left: 16px; } @media (min-width: 320px) { > * { width: calc((99% / #{2}) — 16px); flex: 0 0 calc((99% / #{2}) — 16px); } } @media (min-width: 768px) { > * { width: calc((99% / #{3}) — 16px); flex: 0 0 calc((99% / #{3}) — 16px); } } @supports (grid-area: auto) { grid-template-columns: repeat(auto-fit, minmax(200px, 1fr)); margin-left: 0; > * { width: auto; margin-left: 0; margin-bottom: 0; } } }

Вот как работает этот код:

  1. К элементу-контейнеру добавляются свойства display: flex и flex-wrap: wrap.
  2. Проверяется поддержка CSS Grid. Если эта технология поддерживается, то вместо свойства display: flex будет использовано свойство display: grid.
  3. С помощью селектора > * мы можем выбирать прямых потомков элемента-контейнера. После их выбора мы можем настраивать их размеры.
  4. Конечно, между ними должны быть отступы, которые, если поддерживается CSS Grid, будут заменены на grid-gap.

Пользоваться SASS-миксинами можно так:

.wrapper { @include grid(); @include gridAuto(); }

Вот пример на CodePen.