Методика и формулы для расчета трансформаторного блока питания

Расчет

Существует несколько видов расчетов, которыми пользуются профессионалы. Для новичков все они достаточно сложные, поэтому рекомендуем так называемый упрощенный вариант. В его основе лежат четыре формулы.

Трансформатор позволяет понизить напряжение до необходимых параметров.

Формула закона трансформации

Итак, закон трансформации определяется нижеследующей формулой:

U1/U2=n1/n2, где:

• U1 – напряжение на первичной обмотке,
• U2 – на вторичной,
• n1 – количество витков на первичной обмотке,
• n2 – на вторичной.

Так как разбирается именно сетевой трансформатор, то напряжение на первичной обмотке у него будет 220 вольт. Напряжение же на вторичной обмотке – это необходимый для вас параметр. Для удобства расчета берем его равным 22 вольт. То есть, в данном случае коэффициент трансформации будет равен 10. Отсюда и количество витков. Если на первичной обмотке их будет 220, то на вторичной 22.

Представьте, что прибор, который будет подсоединен через трансформатор, потребляет нагрузку в 1 А. То есть, на вторичную обмотку действует именно этот параметр. Значит, на первичную будет действовать нагрузка 0,1 А, потому что напряжение и сила тока находятся в обратной пропорциональности.

А вот мощность, наоборот, в прямой зависимости. Поэтому на первичную обмотку будет действовать мощность: 220×0,1=22 Вт, на вторичную: 22×1=22 Вт. Получается, что на двух обмотках мощность одинаковая.

Что касается количества витков, то рассчитать их на один вольт не составит большого труда. В принципе, это можно сделать методом «тыка». К примеру, наматываете на первичную обмотку десять витков, проверяете на ней напряжение и полученный результат делите на десять. Если показатель совпадает с необходимым для вас напряжением на выходе, то, значит, вы попали в яблочко. Если напряжение снижено, значит, придется увеличить количество витков, и наоборот.

И еще один нюанс. Специалисты рекомендуют наматывать витки с небольшим запасом. Все дело в том, что на самих обмотках всегда присутствуют потери напряжения, которые необходимо компенсировать. К примеру, если вам нужно напряжение на выходе 12 вольт, то расчет количества витков проводится из расчета напряжения в 17-18 В. То есть, компенсируются потери.

Площадь сердечника

Как уже было сказано выше, мощность блока питания – это сумма мощностей всех его вторичных обмоток. Это основа выбора самого сердечника и его площади. Формула такая:

S=1,15 * √P

В этой формуле мощность устанавливается в ваттах, а площадь получается в сантиметрах квадратных. Если сам сердечник имеет Ш-образную конструкцию, то сечение берется среднего стержня.

Разновидности сердечников для трансформатора.

Количество витков в первичной обмотке

Здесь используется следующая формула:

n=50*U1/S, понятно, что U1 равно 220 В.

Кстати, эмпирический коэффициент «50» может изменяться. К примеру, чтобы блок питания не входил в насыщение и тем самым не создавал лишних помех (электромагнитных), то лучше в расчете использовать коэффициент «60». Правда, это увеличит число витков обмотки, трансформатор станет немного больше в размерах, но при этом снизятся потери, а, значит, режим работы блока питания станет легче

Здесь важно, чтобы количество обмоток уместилось

Сечение провода

И последняя четвертая формула касается сечения используемого медного провода в обмотках.

d=0,8*√I, где d – это диаметр провода, а «I» – сила тока в обмотке.

Расчетный диаметр необходимо также округлить до стандартной величины.

Итак, вот четыре формулы, по которым проводится подбор трансформатора тока

Здесь неважно покупаете ли вы готовый прибор или собираете его самостоятельно. Но учтите, что такой расчет подходит только для сетевого трансформатора, который будет работать от сети в 220 В и 50 Гц

Обозначение трансформатора на схеме.

Для высокочастотных приборов используются совершенно другие формулы, где придется проводить расчет потерь трансформатора тока. Правда, формула коэффициента трансформации и у него точно такая же. Кстати, в этих устройствах устанавливается ферромагнитный сердечник.

Когда использовать трансформатор?

Если трансформатор в восемь раз меньше дросселя, тогда давайте будем использовать только трансформаторы вместо дросселей. Мысль хорошая, но тут тоже все непросто.

Основная сложность применения трансформатора в импульсных преобразователях электрической энергии заключается в том, что ему для работы необходимо переменное напряжение с частотой f, которая может достигать нескольких мегагерц (обычно 20…500 кГц). Но большинство существующих преобразователей работает в системах постоянного тока (DC-DC Converter) и только в последнее время появились разработки, для регулировки напряжения промышленной сети 50(60) Гц (AC-AC Converter). Поэтому для того, чтобы трансформатор просто смог работать, необходимы еще как минимум два дополнительных узла. Вначале необходимо каким-то образом получить переменное напряжение с частотой f, а затем, после его прохождения через трансформатор, удалить внесенную высокочастотную компоненту (Рисунок 4). В DC-DC преобразователях, исторически появившихся первыми, эти узлы назвали «инвертор» и «выпрямитель», хотя в AC-AC преобразователях узлы, на входе и выходе которых присутствует переменное напряжение, формально уже не попадают под эти определения. Согласно их функциональному назначению, правильнее было бы назвать модулятор (инвертор) и демодулятор (выпрямитель).

Рисунок 4.	Схема преобразователя на основе трансформатора.

Кстати, использование в инверторе-модуляторе и выпрямителе-демодуляторе полностью управляемых ключей, способных по сигналу управления как пропускать, так и блокировать протекание тока в любом направлении, открывает новые возможности для построения преобразователей. В таких устройствах только изменением алгоритма управления силовыми ключами можно изменять функциональное назначение схемы и регулировать как тип выходного напряжения (постоянное/переменное), так и его полярность (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Диаграммы работы преобразователя (Рисунок 4) при различных алгоритмах работы схемы управления.

Вторая сложность использования трансформатора заключается в том, что его коэффициент передачи определяется только соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток, а значит, не может меняться во время работы. На практике это приводит к необходимости использования дополнительных регуляторов или стабилизаторов, использование которых также негативно сказывается на технических характеристиках преобразователей. Вспомните схемы выпрямительных устройств на основе 50-герцовых трансформаторов. Там стабилизация напряжения осуществлялась либо с помощью управляемых тиристорных выпрямителей, приводящих к сильным искажениям формы напряжений и токов, либо с помощью компенсационных стабилизаторов напряжения с низким КПД.

Кроме того, индуктивные элементы сложно сделать малогабаритными. При малых мощностях стоимость любого индуктивного элемента определяется больше стоимостью сборки, чем материалов, использованных при его изготовлении. Поэтому при небольших мощностях масса, габариты и стоимость преобразователей на основе трансформатора в лучшем случае не отличаются от аналогичных параметров преобразователей на основе дросселей, а в худшем приводят к их увеличению, потому что кроме трансформатора на плате еще должны находиться инвертор и выпрямитель вместе с сопутствующей «обвязкой». Помимо этого, силовые элементы инвертора и выпрямителя выделяют тепло, что, особенно при использовании «жестких» режимов переключения, приводит к увеличению потерь. Поэтому КПД преобразователей на основе трансформатора при малой мощности только в редких случаях превышает 85%.

Вот почему использование трансформатора в большинстве случаев оправдано лишь при преобразовании мощности свыше 100 Вт или при большой разнице напряжений между входом и выходом (хотя в показано, что в последнем случае хороший результат дает использование дросселя, включенного по автотрансформаторной схеме).

Изготовление импульсного трансформатора своими руками – Металлы, оборудование, инструкции

Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) – важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.

Различные модели импульсных трансформаторов

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ . Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений.  В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.

Схема преобразователя

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

Значение Рн отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Ргб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:

Необходимые для вычисления параметры:

• Sc – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
• S0 – площадь его окна (как наитии это  и предыдущее значение показано на рисунке);

Основные параметры тороидального сердечника

• Вмакс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
• f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.

Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина UI определяется выражением:

UI=U/2-Uэ ( U – питающее преобразователь напряжение; Uэ– уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

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

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

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

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

Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.

Как сделать импульсный блок питания своими руками?

Если нет желания устанавливать громоздкий трансформатор или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

1. PTC термистор любого типа.
2. Пара конденсаторов, которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
3. Диодная сборка типа «вертикалка».
4. Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
5. Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
6. Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
7. Диоды, устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

1. Паяльник и расходные материалы.
2. Отвертка и плоскогубцы.
3. Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Принцип работы

Основной особенностью импульсного трансформатора считается то, что на них будут подаваться однополярные импульсы, которые будут иметь постоянную токовую составляющую. Если вы желаете изучить принципиальную схему импульсного трансформатора, тогда сделать это можно ниже:

Как видите, схема практически нечем не отличается от обычного трансформатора. Единственным отличием считается временная диаграмма.

Если вы изучите схему, тогда можно будет понять, что на обмотку поступают специальные импульсные сигналы. Временный интервал между этими сигналами считается достаточно коротким. Перепады индукции будут проходить со скоростью, которую можно выразить через формулу τ_p=L/R_н.

Коэффициент, который будет описывать разность между индуктивным перепадом можно определить следующим образом: ∆В=В_max — В_r.

• В_max – это уровень максимального значения всех индукций.
• В_r – это остаточные значения.

Если вы желаете детально изучить разность индукций, тогда выполнить этот процесс можно изучив фото ниже:

Как видите, на временной диаграмме вторичная катушка будет иметь напряжение U₂. Именно так будет проявлять себя накопление энергии в магнитопроводе. Все импульсы тока будут проходить через катушку поскольку импульсы тока будут совмещаться. Уровень напряжения считается неизменным и его значение будет составлять е_t=U_m. Если вам необходимо вычислить напряжение во вторичной катушке, тогда рассчитать его можно по формуле:

В этом случае:

1. Ψ – это параметр потокосцепления.
2. S – это величина, которая будет отображать сечение.

Если вы планируете вычислить площадь импульса во вторичной обмотке, тогда вам необходимо обе части формулы умножить на значение t_u. В результате этого вы сможете получить формулу: U_m x t_u=S x W₁ x ∆В.

Второй величиной по значимости считается работа ИТ. На перепад индукции будут влиять следующие параметры: сечение, магнитная проницаемость и сердечник магнитопровода. При необходимости вы можете прочесть про подключение трансформатора.

В этой формуле вы сможете найти следующие значения:

• L– это перепад индукции.
• µ_а – магнитная проницаемость.
• W₁ – это число витков в первичной обмотке.
• S – площадь сердечника.
• l_cр – это длина сердечника.
• В_r– это величина остаточной индукции.
• В_max – уровень максимального значения.
• H_m – напряженность магнитного поля.

Как видите, параметр индуктивности будет зависеть от импульсного трансформатора. При расчете, вам необходимо исходить из максимального значения µ_а.

Исходя из этого в качестве сердечника, вы также можете использовать ленту, которая изготовлена из трансформаторной стали. Если вы выберите высокочастотный импульсный трансформатор, тогда помните, что сердечник должен изготовляться из ферритовых сплавов. Если вам необходимо, тогда у нас вы можете найти информацию про измерительные трансформаторы.

Список источников

1. Русу А.П. Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии? // Радиолоцман – 2018. – №9. – С.24 – 28 (Часть 1). – №10. – С.26 – 29 (Часть 2).
2. Русу А.П. «Откуда появились базовые схемы преобразователей».
3. Русу А.П. «Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку».
4. Русу А.П. «Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков».
5. Русу А.П. «Может ли ток в обмотке дросселя измениться мгновенно?»
6. Русу А.П. «В каком режиме должен работать магнитопровод дросселя импульсного преобразователя?»
7. Русу А.П. «Как определить размеры магнитопровода дросселя импульсного преобразователя».
8. Русу А.П. «Импульсное преобразование переменного тока».
9. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических и магнитных процессов в дросселях импульсных преобразователей электрической энергии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2016. – №6. – С.17 – 29.
10. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ принципов построения и режимов работы импульсных преобразователей электрической энергии // Практическая силовая электроника. – 2016. – №2(62). – С.10 – 24.
11. Kadatskyy А.F., Rusu A.P. Determination of the necessary inductor core dimensions for switching electrical energy converters // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2018. – №1. – С. 125–134.

Технические возможности, открываемые планарным трансформатором

• Низкое тепловое сопротивление. Оно обусловлено более высоким отношением площади поверхности сердечника к его объему. За счет этого охлаждающая способность планарных трансформаторов ощутимо выше по сравнению с «классическими» трансформаторами на 50-70%. Это позволяет нам при проектирование закладывать большую плотность тока, а значит и обеспечить более высокую плотность энергии при том же эффективном объеме сердечника (V_e). При этом рост температуры остается в допустимых пределах
• Высокая плотность тока. Повышенная плотность тока является следствием предыдущего «плюса» планарного трансформатора. Обычно для трансформатора с проволочной обмоткой стандартным значением плотности тока является цифра около 6-7-8 А/мм2, когда для планарного трансформатора это цифра около 15-25А/мм2. Это разумеется при прочих равных условиях, таких как температура перегрева
• Отличная повторяемость паразитных параметров. Геометрия печатных плат при производстве выдерживается очень точно, что обеспечивает практически идеальную повторяемость паразитных параметров. Это позволяет достаточно легко проектировать резонансные преобразователи, например, LLC полумост и достигать очень высоких частот коммутации до 2-4 МГц
• Высокий коэффициент связи. Тут все просто — меньшие потери в обмотках,
  а значит более высокий КПД преобразователя мы получаем
• Малая индуктивность рассеяния. За счет этого амплитуда выбросов ЭДС и колебаний напряжения ниже, что в свою очередь повышает надежность транзисторов
• Очень высокая плотность энергии. Обусловлено совокупностью всех ранее описанных свойств планарного трансформатора.

Описание

Импульсные трансформаторы, предназначенные для трансформирования коротких импульсов с минимальными искажениями и работающие в режиме переходных процессов, находят применение в различных импульсных устройствах.
Импульсные трансформаторы позволяют изменить уровень и полярность формируемого импульса напряжения или тока, согласовать сопротивление генератора импульсов с сопротивлением нагрузки, отделить потенциалы источника и приёмника импульсов, получить на нескольких раздельных нагрузках импульсы от одного генератора, создать обратную связь в контурах схемы импульсного устройства. Импульсный трансформатор может быть также использован и как преобразовательный элемент, например дифференцирующий трансформатор.

Генерация мощных импульсов современных параметров невозможна без применения высоковольтных импульсных трансформаторов. Получаемая форма выходных импульсов во многом определяется свойствами ИТ, особенно при большом коэффициенте трансформации. Применение выходных повышающих ИТ позволяет резко сократить габариты, вес и стоимость генерирующих устройств,
хотя и негативно влияет на форму квазипрямоугольных импульсов, увеличивая относительные длительности фронта, среза и неравномерность вершины. В связи с этим величина коэффициента трансформации современных выходных ИТ при длительности импульсов в единицы и десятки микросекунд возрастает до 10 — 20 и более.

Наибольшее распространение получили ИТ, трансформирующие импульсы, по форме близкие к прямоугольным, которые обладают крутым фронтом и постоянством напряжения вершины импульса, необходимыми для работы широкого класса нагрузок. Импульс прямоугольной формы должен быть трансформирован с малыми искажениями, длительность фронта импульса должна быть значительно меньше длительности импульса и переходные процессы при трансформации фронта и вершины импульса рассматриваются раздельно. Эквивалентные схемы ИТ при раздельном рассмотрении переходных процессов упрощаются и позволяют установить связь между параметрами эквивалентных схем и конструктивными параметрами ИТ и найти такие соотношения между ними, при которых удовлетворяются требования к длительности фронта и скосу вершины импульса