Расчет трансформатора для блока питания: Расчет трансформаторного блока питания: методика, формула, подбор устройства

Содержание

Расчет трансформаторного блока питания: методика, формула, подбор устройства

Автор Andrey Ku На чтение 7 мин Опубликовано

Практически любой образец современной техники нуждается в трансформаторе. Этот элемент электрической сети предусматривают в схеме подключения для разделения сетей постоянного и переменного тока, соединений с разными напряжениями и т.д. В домашних условиях сделать простейший трансформатор в состоянии любой радиолюбитель, ничего сложного в состав устройства не входит, однако необходимо рассчитать трансформаторный блок питания.

Методика расчета импульсного трансформатора

Еще со школьной скамьи любой человек помнит, что эффективность преобразования зависит от количества витков на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а сама работа устройства основана на явлении индуктивности. Но не совсем ясно, как учесть количество витков, соотнести первичную и вторичную обмотку с выбранным типом трансформатора, а так же учесть неизбежные потери напряжения.

Отмечу, что импульсный трансформатор можно считать простейшим представителем устройств. При этом в заводском варианте выпускают следующие типы подобных устройств:

  1. Стержневой.
  2. Броневой.
  3. Тороидальный.
  4. Бронестержневой.

Сразу скажу, что в статье речь пойдет именно о расчете тороидального трансформатора, поскольку именно этот вид устройства прост в изготовлении и расчете. Теоретически дома можно изготовить и стержневое устройство, но для него требуется обустройство катушки. К этому процессу предъявляются повышенные требования в плане аккуратности выполнения работ. Поэтому проще не замахиваться на изготовление заводской продукции в кустарных условиях, тем более что и тороидальные модели прекрасно работают.

Остальные же варианты трансформаторов и вовсе изготовить в условиях домашней мастерской невозможно. Если говорить о расчете, то в качестве исходных данных вам потребуется:

  • Напряжение на входе. Его можно просто замерить в сети, хотя чаще всего этот параметр равен 220В.
  • Параметры тока на выходе. Сюда в обязательном порядке относят напряжение и силу тока в сети после преобразователя.

Все остальное рассчитывается.

Вручную

Конечной целью расчета считается определение параметров на первичной и вторичной обмотке. Проблемой является необходимость определения трех параметров, которые простому человеку найти довольно сложно. В силу этой причины в СССР была разработана табличная методика расчета.

P W1 W2 S η
Меньше 10 Вт 41/S 38/S 0,8
Меньше 30 Вт 36/S 32/S 0,9
Меньше 50 Вт 33/S 29/S 0,92
Меньше 120 Вт 32/S 28/S
0,95

Стоит просто идти по строке, расчет строится на результатах проведенных в лабораториях опытов. То есть все формулы – чистая практика.

При помощи специального ПО

Существуют различные программы для обработки данных и расчета трансформатора. Сюда входит множество онлайн и оффлайн приложений. В отдельности стоит выделить программу ExcellentIT 8.1. Это бесплатное программное обеспечение от одного из постоянных обитателей форумов об электросиловых установка.

После запуска программы перед вами появится несколько окон с пустыми полями вводных данных. После их заполнения нажимается кнопка «Ок» и компьютер делает все за вас. Результаты вычислений ПО и ручного расчета примерно одинаковы, так как именно на основании табличной методики разработаны практически коды компьютерного обеспечения для расчета трансформаторов.

Примеры расчета

Порядок вычислений по таблице выглядит следующим образом:

Мощность вторичного пользователя

  • Определим мощность вторичного пользователя трансформатора. Формулу изучали в 9 классе на уроках физики:

Р = Uн * Iн = 24*1,8 = 43,2 Вт – примем условное напряжение вторичного источника в 24 Вт и силу тока в 1,8 А. В общем и целом это рядовые значения электроники средней сложности

Но вот проблема, в таблице используется габаритная мощность. Для ее нахождения придется использовать КПД, а по таблице КПД определяется в зависимости от используемой габаритной мощности. Поэтому используем предположение, что габаритная мощность находится в том же числовом промежутке, что и вычисленное значение («Меньше 50»).

Габаритная мощность

Тогда мы знаем КПД=0,92 и можем посчитать габаритную мощность трансформатора.

  • Рг= Р/ η= 43,2 / 0,92 = 48Вт – а вот по этому значению уже можно выбирать дальнейшее решение, но это все та же категория «Меньше 50». Если бы габаритная мощность не попала в предполагаемый интервал, пришлось бы провести повторные вычисления для большего интервала. Если и больший интервал не подойдет, значит можно смело использовать меньший. Вычисления несложные, поэтому любое их количество все равно сэкономит время на поиск сложных параметров расчета.
  • Определим площадь поперченного сечения. Согласно таблице формула выглядит так:

Результат получаем в см2. Следующим шагом берется любой каталог с выпускаемыми в России сердечниками. В первую очередь нас интересуют сердечники из ферримагнитного железа. Проверяем выбор по соответствию посчитанной площади.

К примеру, нам может подойти модель сердечника – ОЛ50/80 – 40; его площадь поперечного сечения равняется 6, что можно считать практически равной посчитанной.

Количество витков

  • Посчитаем количество витков на первой обмотке.

w= 33.3/S = 33.3/6 = 5.55 витков на 1 вольт

Здесь нужно обратить внимание на две вещи. Во-первых, витки посчитаны на 1 вольт, то есть это еще не конечный результат. Во-вторых, для расчета использовалось значение не теоретического сердечника, а реального, подобранного в соответствии с посчитанной величиной поперечной площади.

Остальные витки

  • Теперь в соответствие с формулами можно найти и оставшиеся значения витков:

W1-1 = w1 * Uс =5.55 * 220 = 1221 виток; W1-2 = w1 * Uн = 5,55 * 24 = 133 витка.

Импульсные трансформаторы отличаются тем, что потери в них преодолеваются с помощью активного сопротивления, а не плотности потока. Чтобы уменьшить потери мощности на этот процесс и приблизить расчеты к реальности, количество витков увеличивают на 3 процента. Во всем мире это значение признается достаточным для того, чтобы уменьшить потери.

W1-2 = 133 * 1,03 = 137 витков

Диаметр провода обмотки

  • Окончательным вычисление станет после определения требуемого диаметра провода обмотки:

d = 1,13 √(I / j)

Иначе говоря, сила тока делится на плотность потока, которую ищут по таблице, представленной внизу.

Конструкция трансформатора Габаритная мощность трансформатора
5-10 10-50 50-150 150-300 300-1000
Кольцевая 4,5-5,0 4,0-4,5 3,5-4,5 3,0-3,5 2,5-3,0

Так как мощность приближается к верхней границе интервала 10-50, выберем значение 4,5. Тогда диаметр можно посчитать как:

D=1,13 √(1,8 / 4,5)=0,71 мм – по заводской таблице выбрать подходящий вариант.

Возможные схематические решения

Схем подключения вторичной обмотки трансформаторов, да и вообще всей электроники две:

  • Звезда, которая используется для повышения мощности сети.
  • Треугольник, который поддерживает постоянное напряжение в сети.

Вне зависимости от выбранной схемы, наиболее трудными считается изготовление и подключение небольших трансформаторов. Сюда относится и столь популярный в запросах поисковиков аtx. Это модель, которая устанавливается в системных блоках компьютеров, и изготовить ее самостоятельно крайне трудно.

В число трудностей при изготовлении маленьких трансформаторов стоит отнести сложность обмотки и изоляции, правильного подключения вторичной обмотки вне зависимости от выбранной схемы, а так же сложности с поиском сердечника. Короче говоря, проще и дешевле такой трансформатор купить. А вот как выбрать подходящую модель – это совсем другая история.

Как подобрать подходящий трансформатор

Выбрать подходящий трансформатор можно большим количеством способов, но львиная доля это безысходность или незнание мастера. Выделим три наиболее простых и применимых в практике метода:

  • Первый. Взять старый трансформатор, вышедший из строя. Посмотреть маркировку и найти в Интернете аналог. Если вдруг трансформатор требуется для иных целей, придется повозиться.
  • Второй способ: практический. Для этого следует замерить напряжение и силу тока в сети, а затем посмотреть требуемые параметры устройства, которое планируется подключать через трансформатор. После этого нужно посчитать коэффициент трансформации и, вооружившись этими знаниями, идти выбирать подходящую модель.
  • Третий способ: аналитический. Воспользоваться приведенным в статье расчетом или программным обеспечением, чтобы определить конкретные параметры модели. Если учесть, что в примере используются реальные сердечники и диаметры проводов, то реально найти устройство, которое будет соответствовать заявленным требованиям.

Можно ли использовать планарный трансформатор

Конечно, можно. Но, вопрос в том, нужно ли. Планарным трансформатором зовут устройство на основе распечатанной платы. Использование подобных моделей незаменимо для компактной техники, вроде телефонов, компьютеров и прочего.

Однако, если речь идет о замене или самостоятельном конструировании прибора, то столь инновационная технология не нужна в силу дороговизны и сложности монтажа.

Не нужно изобретать велосипед: есть целый ряд методик расчета, создания и монтажа традиционных трансформаторов, которые готовы выполнить для пользователя практически любую задачу. Использование планарного трансформатора оправдано только при предъявлении к устройству требования особой компактности и мобильности.

Двухтактные преобразователи (упрощенный расчет) /index php?name=ezcms&page_id=1594 — Документ

    Как видно из схем они отличаются лишь емкостями фильтров первичного питания и используемыми силовыми транзисторами. Емкость фильтров первичного питания расчитывается из отношения 1 мкФ на 1 Вт выходной мощности, а силовые транзисторя олжны иметь максимальный ток минимум на 30% больше чем ток протекающий через первичную обмотку силового трансформатора при максимальной мощности. Для большей наглядности емкости фильтров первичного питания и рекомендуемые силовые транзисторы сведены в таблицу.

Суммарная мощность блока питания

Суммарная емкость конденсаторов первичного питания

Рекомендуемые силовые транзисторы

400 Вт

400 мкФ (2 шт по 220 мкФ)

IRF840, IRF740, STP8NK80Z, STP10NK60Z

600 Вт

600 мкФ (2 шт по 330 мкФ)

IRF740, STP14NK60Z, STP10NK60Z, IRFB18N50K

1000 Вт

1000 мкФ (2 шт по 470 мкФ)

IRF740, STP14NK60Z, STP10NK60Z, IRFB18N50K

1500 Вт

1300 мкФ (2 шт по 680 мкФ)

STP14NK60Z, STP25NM50N, SPA20N60C3, STP17NK40ZPFP, IRFP450, IRFP460

2000 Вт

2000 мкФ (2 шт по 1000 мкФ)

STP25NM50N, SPA20N60C3, IRFP360, IRFP460, IRFP22N60K, SPW20N60C3

КРАСНЫЕ — корпус ТО-220, СИНИЕ — корпус ТО-247

    Несколько слов об алгоритме работы данного блока питания:
    В момент подачи сетевого напряжения 220 В емкости фильтров первичного питания С15 и С16 заражаются через резисторы R8 и R11, что не позволяет перегрузиться лиолному мосту VD током короткого замыканияполностью разряженных С15 и С16. Одновременно происходит зарядка конденсаторов С1, С3, С6, С19 через линейку резисторов R16, R18, R20 и R22, стабилизатор 7815 и резистор R21.
    Как только величена напряжения на конденсаторе С6 достигнет 12 В стабилитрон VD1 «пробивается» и через него начинает течть ток заряжая конденсатор C18 и как только на плюсовом выводе этого конденсатора будет достигнута величина достаточная для открытия тиристора VS2 он откроется. Это повлечет включение реле К1, которое своими кнтактами зашунтирует токоограничивающие резисторы R8 и R11.Кроме этого открывшийся тиристор VS2 откроет транзистор VT1 и на контроллер TL494 и полумостовой драйвер IR2110. Контроллер начнет режим мягкого старта, длительность которого зависит от номиналов R7 и C13.
    Во время мягкого старта длительность импульсов, открывающих силовые транзисторы увеличиваются постепенно, тем самым постепенно заряжая конденсаторы вторичного питания и ограничивая ток через выпрямительные диоды. Длительность увеличивается до тех пор, пока величина вторичного питания не станет достаточной для открытия светодиода оптрона IC1. Как только яркость светодиода оптрона станет достаточной для открытия транзистора длительность импульсов перестанет увеличиваться (рисунок4).


Рисунок 4. Режим мягкого старта.

    Тут следует отметить, что длительность мягкого старта ограничена, поскольку проходящего через резисторы R16, R18, R20, R22 тока не достаточно для питания контроллера TL494 и драйвера IR2110 напряжение питания этих микросхем начнет уменьшаться и вскоре уменьшиться до величины, при которой TL494 перестанет вырабатывать импульсы управления. И именно до этого момента режим мягкого старта должен быть окончен и преобразователь должен выйти на нормальный режим работы, поскольку основное питание контроллер TL494 и дрейвер IR2110 получают от силового трансформатора (VD9, VD10 — выпрямитель со средней точкой, R23-C1-C3 — RC фильтр, IC3 — стабилизатор на 15 В) и именно поэтому конденсаторы C1, C3, C6, C19 имеют такие большие номиналы — они должны удерживать величнину питания контроллера до выхода его на обычный режим работы.
    Стабилизация выходного напряжения происходит путем изменения длительности импульсов управления силовыми транзисторами при неизменной частоте — Широтно Импульсная Модуляция — ШИМ. Это возможно лишь при условии, когда величина вторичного напряжения силового трансформатора выше требуемой на выходе стабилизатора минимум на 30%, но не более 60%.


Рисунок 5. Принцип работы ШИМ стабилизатора.

    При увеличении нагрузки выходное напряжение начинает уменьшаться, светодиод оптрона ШС1 начинает светиться меньше, транзисторы оптрона закрывается, тем самым увеличивая длительность импульсов управления до тех пор, пока действующее напряжение не достигнет величины стабилизации (рисунок 5). При уменьшении нагрузки напряжение начнет увеличиваться, светодиод оптрона IC1 начнет светиться ярче, тем самым открывая транзистор и уменьшая длительность управляющих импульсов дотех пор, пока величина действующего значения выходного напряжения не уменьшиться до стабилизируемой величины. Величину стабилизируемого напряжения регулируют подстроечным резистором R26.
    Следует отметить, что контроллером TL494 регулируется не длительность каждого импулься в зависимости от выходного напряжения, а лишь среднее значение, т.е. измерительная часть имеет некотрую инерционость. Однако даже при установленных конденсаторах во вторичном питании емкостью 2200 мкФ провалы питания при пиковых кратковременных нагрузках не превышают 5 %, что вполне приемлемо для аппаратуры HI-FI класса. Мы же обычно ставим конденсаторы во вторичном питании 4700 мкФ, что дает уверенный запас на пиковые значения, а использование дросселя групповой стабилизации позволяет контролировать все 4 выходных силовых напряжения.
    Данный импульсный блок питания оснащен защитой от перегрузки, измерительным элементом которой служит трансформатор тока TV1. Как только ток достигнет критической величины открывается тиристор VS1 и зашунитрует питание оконечного каскада контроллера. Импульсы управления исчезают и блок питания переходит в дежурный режим, в котором может находиться довольно долго, поскольку тиристор VS2 продолжает оставаться открытым — тока протекающего через резисторы R16, R18, R20 и R22 хватает для удержание его в открытом состоянии.
    Для вывода блока питания из дежурного режима необходимо нажать кнопку SA3, которая своим контактами зашунтирует тиристор VS2, ток через него перестанет течь и он закроется. Как только контакты SA3 разомкнуться транзистор VT1 закроется тме самы снимая питания с контроллера и драйвера. Таким образом схема управления перейдет в режим минимального потребления — тиристор VS2 закрыт, следовательно реле К1 выключено, транзистор VT1 закрыт, следовательно контроллер и драйвер обесточены. Конденсаторы С1, С3, С6 и С19 начинают заряжаться и как только напряжение достигнет 12 В откроется тиристор VS2 и произойдет запуск импульсного блока питания.
    При необходимости перевести блок питания в дежурный режим можно воспользоваться кнопкой SA2, при нажатии на которую будут соеденены база и эмиттер транзистора VT1. Транзистор закроется и обесточит контроллер и драйвер. Импульсы управления исчезнут, исчезнут и вторичные напряжения. Однако питание не будет снято с реле К1 и повторного запука преобразователя не произойдет.
    Расположение деталей на печатной плате показано на рисунке 6. Сразу следует оговориться — этот импульсный блок питания не для начинающих, поэтому некоторые номиналы на чертеже не проставлены, чтобы более опытные смогли разобраться, а начинающих это должно остановить.


Рисунок 6. Расположение деталей на плате сетевого импульсного блока питания для усилителей мощности до 1000 Вт.
УВЕЛИЧИТЬ     СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

    Немного крупнее и мощнее печатная плата показанная на рисунке 7. На ней установлены диоды вторичного питания в корпусе ТО-247, а в этом корпусе есть диоды с током до 80 А и 1200 В, а так же более крупный силовой трансформатор.


Рисунок 7. Расположение деталей на плате сетевого импульсного блока питания для усилителей мощности до 1000 Вт.
УВЕЛИЧИТЬ     СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

    Немного о деталях:
    Силовой трансформатор мы изготавливаем на сердечниках от строчных трансформаторов телевизоров. Однако схожие параметры можно получить и на феритовых кольцах, правда частоту преобразования не стоит поднимать выше 70 кГц, поскольку даже уже на этой частоте феррит 2000 начинает греться из за внутренних потерь. В качестве дросселя групповой стабилизации мы используем сердечник от ТПИ. Обмотки распологаются встречно, как показанно на принципиальной схеме. Сечение проводников расчитывается из отношения 3-4 А на мм кв. Обмотки наматываются до заполнения окна. В случае использвания в качестве сердечника для дросселя групповой стабилизации ферритового кольца лучше использовать кольцо К40х25х11. Обмотки мотаются до уменьшения отверстия внутри до 14…16 мм. В качестве дополнительных фильтрующих индуктивностей мы используем сердечники от фильтров сетевого питания телевизоров, но эти фильтры можно намотать и на кольцах диаметром 20…25 мм. Обмотка мотается до заполнения, тем же проводом, что и дроссель групповой стабилизации.
    При необходимости получить блок питания для усилителя с двухуровневым питанием выходные напряжения блока питания следует соеденить по схеме рисунка 8.


Рисунок 8. Схема соединений выходных напряжений для усилителя с двухуровневым питанием.

   
    НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕНОСТИ ДАННЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ
    Если повнимательней расмотреть принципиальную схему, то станет ясно, что контролируется лишь напряжение силовой части. Однако с этого же силового трансформатора производится и питание самой управляющей части блока. Поэтому без нагрузки в силовой части контролируеммое напряжение достигнув своей величины сократит длительность управляющих импульсов вплоть до их полного исчезновения. Это повлечет обесточивание контроллера TL4949 и драйвера IR2110 и блок питания просто отключится.
    Поэтому данный блок питания без нагрузки отрегулировать нельзя. Для регулировки в качестве нагрузки следует все силоывые напряжения нагрузить резисторами мощностью 2 Вт и сопротивлением 4,7к…6,8к. При выходном напряжении 60…90 В это будет имитировать ток покоя усилителй мощности. При более низком выходном напряжении сопротивление следует немного уменьшить.
   
   
    Почему мощность ограничена 2000 Вт и что можно сделать для увеличения мощности можно почитать тут.

Как за час сделать импульсный блок питания из сгоревшей лампочки?

/ru/smps/

Очень похоже на квазирезонансный полумост из второго файла по теме.

Близкие темы.

Как намотать импульсный трансформатор для сетевого блока питания?

Как разобрать энергосберегающую лампу (КЛЛ)?

Энергосберегающие лампы “Vitoone” — технические данные и схема.

Схема и техническая информация по энергосберегающим лампам Osram.

Оглавление статьи.

  1. Вступление.

  2. Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.

  3. Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

  4. Импульсный трансформатор для блока питания.

  5. Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

  6. Блок питания мощностю 20 Ватт.

  7. Блок питания мощностью 100 ватт

  8. Выпрямитель.

  9. Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

  10. Как наладить импульсный блок питания?

  11. Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

Вступление.

В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.

Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим./

В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют. А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

Вернуться наверх к меню

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для предобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.

А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

Вернуться наверх к меню

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Вернуться наверх к меню

Импульсный трансформатор для блока питания.

Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше. Проверено на практике.

Здесь подробно рассказано, как произвести самые простые расчёты импульсного трансформатора, а так же, как его правильно намотать… чтобы не пришлось подсчитывать витки.

Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.

Вернуться наверх к меню

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.

Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мальниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

Вернуться наверх к меню

Блок питания мощностью 20 Ватт.

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт. Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц. Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц Температура трансформатора – 60ºС Температура транзисторов – 42ºС

Вернуться наверх к меню

Блок питания мощностью 100 Ватт.

Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз бо’льшие предельно-допустимые токи.

Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.

Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

На чертеже изображено соединение транзистора с радиатором охлаждения в разрезе.

  1. Винт М2,5.

  2. Шайба М2,5.

  3. Шайба изоляционная М2,5 – стеклотекстолит, текстолит, гетинакс.

  4. Корпус транзистора.

  5. Прокладка – отрезок трубки (кембрика).

  6. Прокладка – слюда, керамика, фторопласт и т.д.

  7. Радиатор охлаждения.

А это действующий стоваттный импульсный блок питания.

Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.

Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.

Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.

Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.

Температура транзисторов – 75ºC.

Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².

Температура дросселя TV1 – 45ºC.

TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)

Вернуться наверх к меню

Выпрямитель.

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

1. Мостовая схема.

2. Схема с нулевой точкой.

Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

Пример.

Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ват.

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности.

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.

Вернуться наверх к меню

как рассчитать мощность трансформатора ленты на 12 вольт и другой?

Светодиодные ленты могут работать в самых тяжелых условиях, независимо от погоды – изделия прочные и влагостойкие. Например, ими можно осветить улицу или фасад здания. А для долгой работы нужен грамотный расчет блока питания для светодиодной ленты.

Что нужно учесть при подборе блока питания?

Чтобы подключить светодиодную ленту, нужен блок питания или драйвер. Это разные устройства.

  • Драйвер выдает стабилизированный ток. Например, 300 мА. И если подключить слишком короткую ленту, напряжение станет больше номинального, и диоды сгорят. А если слишком длинную, то они будут светить тускло. Поэтому через драйвер подключается только та светотехника, на которую рассчитан этот адаптер. Справка: срайверы применяются в готовых изделиях, таких как лампочки и гирлянды.
  • Блок питания. Он отрегулирован по напряжению. Это значит, что на выходе мы получим ровно 12 В независимо от потребляемой мощности. Блоки питания универсальны и подобрать их легче, чем драйверы. Нужно учесть несколько моментов.

Общая мощность ленты

Единица измерения – Вт/м. Она зависит от 2-х величин.

  • Тип светодиодов. Самые тусклые ленты служат для декоративных целей и оснащаются диодами типа 3528. Ими можно подсветить контуры объектов. А для яркого освещения нужны диоды типов 5050 (самые распространенные) и 2535.
  • Количество светодиодов на одном метре ленты – 30, 60 или 120.

Мощность диодной полосы и марка диодов указывается на упаковке. Например, Venom SMD 5050 60 LEDs/M 14.4W. Ее мощность – 14,4 Вт на погонный метр.

Вентиляция трансформатора

При работе блок питания нагревается, и его нужно охлаждать. Это делается несколькими способами.

  • Модели с активным охлаждением оснащены кулером, который гонит поток воздуха внутрь корпуса. Их достоинства – большая мощность и меньшие размеры, а минусы – кулер шумит и со временем изнашивается. Такая система нужна, когда подключается лента на 800 Вт и более.
  • Адаптеры с пассивным охлаждением чаще применяются в бытовых условиях. Они бесшумные, но занимают чуть больше места. Да и располагать надо так, чтобы был приток свежего воздуха. Зато они надежнее, поскольку нет подвижных частей. И лучше защищены от непогоды.

Адаптеры питания различаются по степени защиты.

  • Открытые. Самые простые и дешевые модели, но и самые «нежные». Их применяют только в комнатных условиях, где нет пыли и невысока влажность.
  • Полугерметичные. Защищены от легких капризов природы. Крупная пыль и водяные брызги для них нестрашны, а вот постоянная влажность быстро «убьет» адаптер. На улице их нужно прятать под навес, а лучше в монтажную коробку. Степень защиты – IP54.
  • Герметичные. Через защищенный корпус не проникнут пыль и влага. Они подойдут и для уличного освещения, и для работы во влажной среде, такой как ванные комнаты и бассейны. Степень защиты – IP65 или IP68 (*6 – полная защита от пыли, *5 – защита от водяных струй, *8 – устройство выдержит погружение в воду).

Чтобы лучше разбираться в степенях защиты, воспользуйтесь таблицей. Кстати, она подходит для всей электроники.

Внутреннее устройство всех этих адаптеров одинаковое. Выходное напряжение для питания ленты – 24 Вольта, 12 В или 5 В. Диодная полоса работает на постоянном токе, и поэтому подключать в сеть непрямую ее нельзя. Хотя некоторые по ошибке так делают. Последствия – лента перегорает, и может вспыхнуть пожар.

Чтобы светодиоды служили долго, нужно правильно рассчитать мощность блока питания. Проще всего это сделать по нашему примеру.

Пример расчета на один блок питания

Для начала определите мощность подключаемой ленты. А если их несколько, то нагрузка суммируется. Чтобы было проще ориентироваться, воспользуйтесь таблицей.

Дальше переходите к расчету. Его нужно делать в такой последовательности.

  • Допустим, у вас лента модели Venom SMD 5050 60 LEDs/M 14.4W длиной 4 м. Тогда ее общая мощность составит: (14,4 Вт/м) * (4 м) = 57,6 Вт.
  • Подберите коэффициент запаса. Он нужен, чтобы адаптер работал без перегрузки. Если блок используется на улице и хорошо вентилируется, то будет достаточно 20%. А когда он расположен в монтажной коробке, и к тому же в жарком помещении, то коэффициент должен быть минимум 40%. Возьмем в расчет нормальные условия работы, при которых К = 30%. Тогда мощность блока питания должна быть:

57,6 Вт * 1,3 = 74,88 Вт.

Важно. Учтите, что для моделей с пассивным охлаждением коэффициент запаса мощности должен быть выше, чем для адаптеров с вентиляторами.

  • Дальше нужно округлить эту цифру в большую сторону до стандартной величины – 80 В. Выбрать нужное значение мощности вам поможет наша таблица.
  • Иногда в характеристиках указывают не мощность, а наибольший выходной ток (в Амперах). Тогда мощность блока питания следует разделить на рабочее напряжение ленты:

74,88 Вт / 12 В = 6,24 А.

Это значит, что на выходе адаптер должен обеспечить ток не менее 6,5 Ампер.

Бонусом вы можете посчитать расход электроэнергии. Для этого умножьте мощность потребителя на время его работы.

Допустим, наша лента работает месяц, 2 часа каждый день. Тогда расход составит:

57,6 Вт * 2 ч * 30 дней = 3,5 кВт*ч.

57,6 Вт – это фактическое потребление светотехники.

Справка: лампа накаливания на 100 Вт за это же время израсходует тока вдвое больше (6 кВт*ч).

После подключения убедитесь, что блок питания работает правильно.

  • Самое главное – корпус не должен нагреваться. Чтобы это проверить, через полчаса-час непрерывной работы потрогайте его рукой. Желательно металлические части. Если рука свободно выдерживает нагрев, то адаптер подобран правильно.
  • Прислушайтесь к работе. Свист и треск не допускаются. У блока может только шуметь кулер и слегка гудеть трансформатор.

Важно. Часто у адаптеров питания есть несколько выходов для 2-х, 3-х и более светодиодных лент. При этом длина светодиодной полосы для одного разъема не должна превышать 5 м. Иначе будет перегрузка. А если нужно подключить несколько осветителей, то это делается 2-мя способами.

Как рассчитываются несколько блоков?

Когда вам нужно использовать полосу светодиодов длиной 10 и более метров, то отрезки длиной 5 м соединяются с разными выводами блока питания по схеме.

У такого решения есть недостаток – большие потери постоянного тока в проводах. Диоды, которые находятся далеко от адаптера питания, будут светить тускло. Кстати, во избежание таких потерь для передачи тока на большие расстояния используют переменный ток с большим напряжением. Поэтому лучше использовать несколько блоков питания. Они подключаются по такой схеме.

Адаптеры желательно располагать равномерно вдоль всей ленты, а не собирать в одной монтажной коробке. Тогда они не будут перегреваться.

Методика расчета не отличается от той, которая используется для одного блока.

  • Например, нужно осветить комнату 3х6 метров. Периметр составит 18 м. Для освещения используется лента SMD 3528 60 LEDs/M, которая имеет яркость 360 lm/м. п. Ее мощность равняется:

(6,6 Вт/м) * (18 м) = 118,8 Вт.

  • Добавляем коэффициент запаса мощности 25%. На выходе имеем:

118,8 Вт * 1,25 = 148,5 Вт.

Получается, что общая мощность одного адаптера питания должна быть 150 Вт.

Наибольшая длина стандартной светодиодной полосы – 5 м. Для освещения понадобится 3 сегмента по 5 м и 1 сегмент длиной 3 м. На эти 4 сегмента потребуется 2 блока питания.

Первый будет иметь мощность:

(5 м + 5 м) * (6,6 Вт/м) * 1,25 = 82,5 Вт. Выбираем адаптер на 100 Вт.

Мощность другого:

(5 м + 3 м) * (6,6 Вт/м) * 1,25 = 66 Вт. Подойдет блок на 80 Вт.

Условия работы 2-х блоков питания легче, чем одного, ведь в сумме они обладают большей мощностью (180 Вт против 150 Вт). Поэтому такая схема подключения надежнее и не так боится перегрева.

Расчет блока питания для светодиодной ленты в видео ниже.

(PDF) Расчет выбора трансформатора для проектирования обратноходового импульсного источника питания

Содержание этой работы может быть использовано в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 3.0. Любое дальнейшее распространение

этой работы должно содержать указание автора(ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.

Опубликовано по лицензии IOP Publishing Ltd.

MEACM 2018

IOP Conf. Серия: Материаловедение и инженерия 544 (2019) 012054

IOP Publishing

doi:10.1088/1757-899X/544/1/012054

1

Расчет выбора трансформатора для конструкции обратноходового преобразователя

Импульсный блок питания

1 Адъюнкт-профессор Хубэйского университета науки и технологий, Сяньнин, КНР

2* Преподаватель, Хубэйский университет науки и технологий, Сяньнин, КНР

3 Генеральный директор, Hubei Tongda Power Supply Company Limited, Сяньнин, КНР

4 Профессор , Университет науки и технологий Хубэй, Сяньнин, КНР

5 Профессор, Университет науки и технологий Хубэй, Сяньнин, КНР

6 Старший инженер, Университет науки и технологий Хубэй, Сяньнин, КНР

Электронная почта: [email protected] qq.com

Аннотация. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является одним из самых популярных методов разработки импульсного источника питания

. В этой статье описана основа для разработки нового обратноходового импульсного источника питания

с интегральной схемой ШИМ. Чтобы удовлетворить требования к конструкции,

подробно обсуждается важный этап расчета выбора трансформатора. Метод P

— это метод

, используемый при расчете трансформатора. Затем шаг за шагом рассчитываются некоторые другие параметры трансформатора, такие как коэффициент трансформации

, первичный ток трансформатора, первичная индуктивность трансформатора, виток трансформатора

и воздушный зазор, а также диаметр провода обмотки.

С выбранным трансформатором предлагаемый импульсный блок питания имеет более простую схему и

более высокую точность. Различные диапазоны входного напряжения и выходного напряжения, требуемые различными электрическими приборами

, могут быть хорошо удовлетворены.

1. Введение

При разработке импульсного источника питания эффективность является одним из наиболее важных показателей.

Пока КПД бытовых импульсных источников питания в основном составляет около 70%. Чтобы ответить на призыв

к энергосбережению и сокращению выбросов в Китае, концепция дизайна будущего импульсного источника питания

должна быть сосредоточена на снижении потерь и повышении эффективности при проектировании.

потеря импульсного источника питания состоит из потери входного выпрямителя, потери переключения, потери буферной цепи,

потери проводимости, потери трансформатора и индуктивности и т. д. Помимо потери входного выпрямителя, другие потери

могут быть уменьшенный. В эти годы относительно новой технологией является использование переключающего синхронного выпрямителя

с нулевым напряжением и током, чтобы уменьшить потери при переключении и потери сетевого привода синхронного выпрямителя

[1-2]. В будущем можно будет использовать управление скачкообразной перестройкой периода для снижения легкой нагрузки и потерь в режиме ожидания.

Существует множество способов повышения эффективности, таких как пассивная демпфирующая схема без потерь, синхронный выпрямитель

, микросхема управления с низким энергопотреблением и так далее. Обратноходовая топология оказалась эффективным решением для создания импульсных источников питания

благодаря своей низкой стоимости и высокому КПД [3]. Например, адаптеры AC-DC

и зарядные устройства для ноутбуков реализованы с помощью преобразования мощности с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Таким образом, чтобы повысить эффективность и уменьшить потери, в этой статье предлагается новый источник питания обратного хода

для электронных устройств с малой мощностью.

Остальная часть этого документа организована следующим образом. Во-первых, в разделе

2 будут предложены принципы работы. Во-вторых, в разделе 3 будут описаны проектные показатели и структура системы. предоставить практическое руководство по выбору номиналов силового трансформатора. Для простоты этого обсуждения были сделаны различные основные предположения.

Номинальные характеристики трансформатора зависят от типа используемого фильтра и конфигурации выпрямителя. Наиболее часто используемыми типами фильтров являются индукторные и емкостные входные фильтры. Однако из-за повышенного веса и соображений стоимости индукторный фильтр не пользуется большой популярностью. В большинстве источников питания используется стабилизатор напряжения, который обеспечивает дополнительное снижение пульсаций, поэтому LC-фильтр не требуется. В результате емкостного фильтра достаточно для большинства приложений, и он очень популярен среди разработчиков источников питания.

Ток, потребляемый вторичной обмоткой трансформатора, зависит от типа используемой схемы выпрямителя. Наиболее часто используемые однофазные цепи:

  • Half Wave (один диод) — HW
  • Полноволновый центральный ответвитель (два диода) — FWCT
  • Полноволновой мост (четыре диода) — FWB
  • Двойной дополнительный ректификатор

Однополупериодный выпрямитель прост и недорог. Однако очень высокие пики тока во время интервала емкостной зарядки и однонаправленный постоянный ток во вторичной обмотке трансформатора требуют более крупного сердечника трансформатора, чтобы избежать насыщения.Следовательно, однополупериодный выпрямитель не очень популярен, и единственное время, когда его стоит рассматривать, — это уровни мощности ниже одного ватта.

Половина волны

 

Чаще используются схемы двухполупериодного выпрямителя. Вторичные выбросы тока происходят дважды за цикл, поэтому они меньше по величине при удвоении частоты питания.В выпрямителе FWCT используются два диода, и одновременно нагружается только половина вторичной обмотки трансформатора. С другой стороны, выпрямитель FWB использует 4 диода, а вторичная обмотка трансформатора постоянно нагружена. Для низковольтных источников питания обычно предпочтительнее FWCT, в то время как схема FWB чаще используется для источников более высокого напряжения.

Полноволновой или

Полноволновой центральный ответвитель

Полноволновой мост

 

Двойная комплементарная цепь выпрямителя представляет собой комбинацию двух цепей FWCT.Этот тип схемы выпрямителя очень часто используется в источниках питания с двумя выходами, где два выхода имеют обратную полярность с заземлением. Он также называется «мостовым выпрямителем с центральным отводом».

Двойная дополнительная цепь выпрямителя

 

Полноволновой центральный ответвитель (FWCT)

На приведенной выше схеме представлен двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки и емкостным фильтром.Для расчета вторичного напряжения трансформатора можно сделать следующие предположения:

  • Вreg, падение напряжения на регуляторе составляет приблизительно 3 В постоянного тока или более
  • В постоянного тока, падение напряжения на выпрямителе составляет приблизительно 1,25 В постоянного тока или более
  • Vripple, напряжение пульсаций составляет примерно 10% пикового значения выходного напряжения.

Затем можно использовать следующую формулу для определения номинального вторичного напряжения трансформатора:

где 0.9 представляет собой типичный КПД выпрямителя, Vnom=номинальное входное линейное напряжение, а Vlow=требуемое низкое линейное напряжение.

В качестве примера можно рассмотреть блок питания с емкостным фильтром и выходом 24 В постоянного тока при 2,4 А для работы при низком сетевом напряжении 95 В переменного тока.

Следовательно, вторичное напряжение трансформатора может быть указано как 59 В переменного тока с отводом от середины.

Для точного определения рейтинга вторичного среднеквадратичного значения манжеты необходимо выполнить сложные вычисления.Однако для всех практических целей приведенную ниже таблицу можно безопасно использовать.

Выпрямитель Тип

Тип выпрямителя Тип фильтра Среднеквадратичное значение вторичного тока
Полноволновой центральный метчик Вход дросселя = 0,7 x ампер постоянного тока
Полноволновой центральный метчик Вход конденсатора = 1 к 1.2 усилителя постоянного тока
Полноволновой мост Вход дросселя = 1 х постоянный ток
Полноволновой центральный метчик Вход конденсатора = от 1,6 до 1,8 x ампер постоянного тока

 

В приведенном выше примере среднеквадратичное значение тока вторичной обмотки трансформатора должно быть: 1,2 x 2,4 = 2,88 А (среднеквадратичное значение). Тогда полную спецификацию трансформатора можно определить как: 59VCT @ 2.88 А с 170 ВА

 

Полноволновой мост (FWB)

Те же соображения, касающиеся FWCT, применимы и к FWB. Разница только в том, что падение выпрямителя вдвое больше (4 диода вместо 2-х). Следовательно, для тех же выходных требований, что и выше, Vрект. = 2 x 1,25 = 2,5 В.

То есть напряжение переменного тока может быть указано на уровне 30,5 В переменного тока. В соответствии с таблицей выше номинал манжеты для емкостного фильтра должен быть равен 1.8 x 2,4 = 4,32 А, среднеквадратичное значение. Таким образом, полные характеристики трансформатора можно определить следующим образом: 30,5 В при 4,32 А с 132 ВА

 

Двойной дополнительный источник питания

Обсужденный выше расчет для FWCT также применим к двойной дополнительной цепи. Рассмотрим пример источника питания с двумя выходами, 15 В постоянного тока при 800 мА. Таким образом, Vout = 15 В, Vreg = 3 В, Vrect = 1,25 В, Vripple = 0,75 В (1,0 В пик-пик)

Таким образом, В переменного тока = 38 В с ответвлением посередине; МАК = 1.8 x 800 = 1,44 А, среднеквадратичное значение. Таким образом, номинал вторичной обмотки трансформатора можно определить следующим образом: 38 В пост. тока при 1,44 А (среднеквадратичное значение) с 55 ВА

Наконец, особое внимание следует уделить эффекту высокой входной линии. Предполагая, что максимальное входное линейное напряжение составляет 130 В переменного тока, вторичное напряжение трансформатора возрастет в соотношении 130/115 по сравнению с номинальным линейным входом. Таким образом, при входном напряжении 130 В переменного тока для описанного выше источника питания 24 В постоянного тока В переменного тока = (130/115) x 29,15 = 33,34 В

Для двойного комплементарного контура VAC= (130/115) x 19 = 21.5В

Повышение выходного напряжения должно снижаться на стабилизаторе, что приводит к увеличению рассеиваемой мощности на стабилизаторе. Все конкретные случаи должны быть проверены на безопасную работу в этих условиях.

Перед окончательным определением номинальных характеристик трансформатора необходимо также уделить должное внимание регулированию нагрузки, повышению температуры, экранированию и т. д. Следует отметить, что все расчетные значения относятся к полной номинальной нагрузке.

12 шагов проектирования импульсных трансформаторов : The Talema Group

Разработка магнитных компонентов для SMPS может быть сложной задачей из-за растущих требований к современным конструкциям электроники.Выполнение этих 12 шагов может помочь инженерам справиться с трудностями и обеспечить успешный проект.

Следующие параметры необходимы для проектирования магнитных компонентов SMPS:

  • Диапазон входного напряжения
  • Выходное напряжение
  • Выходное напряжение
  • Выходная мощность или выходной ток
  • Частота переключения
  • Операционный режим
  • Максимальный рабочий цикл IC
  • Требования к безопасности
  • Температура окружающей среды
  • Требования к размеру

Шаг 1: Основной выбор

Сделайте предварительный выбор ядра на основе требований к питанию приложения, топологии коммутации и частоты.Ферритовые сердечники — лучший выбор для высокочастотных приложений. Для работы на частотах ниже 500 кГц большинство разработчиков будут использовать материал сердечника с проницаемостью от 2000 до 2500. Проницаемость значительно меняется в зависимости от повышения температуры и рабочей плотности потока. В целом это не повлияет на работу преобразователя, пока сердечник не близок к насыщению, поскольку индуктивность (от которой зависит режим работы) в основном определяется воздушным зазором. Однако повышение температуры и рабочая плотность потока повлияют на потери в сердечнике, и это необходимо учитывать для обеспечения надежной работы.

Форма сердечника

Форма сердечника и конфигурация окна важны для конструкции высокочастотного трансформатора, чтобы минимизировать потери. Площадь окна намотки должна быть как можно шире, чтобы максимизировать ширину намотки и минимизировать количество слоев. Это минимизирует сопротивление обмотки переменного тока.

  • Сердечники EFD и EPC используются, когда требуется низкий профиль.
  • EE и EF являются хорошим выбором и обычно используются либо с вертикальными, либо с горизонтальными шпулями (вертикальные шпули хороши, когда площадь основания ограничена).
  • Сердечники ETD и EER обычно крупнее, но имеют большую площадь обмотки, что делает их особенно подходящими для конструкций с более высокой мощностью и конструкций с несколькими выходами.
  • Сердечники PQ дороже, но занимают немного меньше места на печатной плате и требуют меньше оборотов, чем сердечники E.
  • Для трансформатора с запасной обмоткой потребуется больший размер сердечника, чем для трансформатора с тройной изоляцией, чтобы оставить место для запасов.
Размер ядра

Существует множество переменных, влияющих на оценку соответствующего размера ядра.

  • Один из способов выбрать правильный сердечник — обратиться к руководству по выбору сердечника производителя.
  • Произведение площади сердечника ( W a A c ), полученное путем умножения площади поперечного сечения сердечника на площадь окна, доступную для намотки, широко используется для начальной оценки размера сердечника для данного приложения.
  • Возможности обработки мощности ядер не масштабируются линейно с произведением площади или объемом ядра. Трансформатор большего размера должен работать с меньшей удельной мощностью, потому что площадь рассеивающей тепло поверхности не увеличивается пропорционально объему, выделяющему тепло.

В таблице ниже представлен обзор типов сердечников в зависимости от пропускной способности:

Выходной уровень мощности (WATTS) Рекомендуемые основные типы
0-10 EFD15, EF16, EE19, EFD20, EFD25
10-20 EE19, EFD20, EF20, Ei22, efd25
20-30
EI25, EFD25, EFD30, ETD29, EFD25, EFD30, ETD29, EER28 (L)
30-50 EI28, EER28 (L), ETD29, EFD30, EER35
50 -70 EER28L, ETD34, EER35, ETD39
70-100 ETD34, EER35, ETD39, EER40
100-150 EI50, EE40, EER42
150-200 150-200 Ei60, EE50, EE60, EER49
200-500 ETD44, ETD49, E55
> 500 ETD59, E65, E70, E80

The W A A C / отношение выходной мощности получается:

K f = форм-фактор; для прямоугольной волны K f = 4
K u = коэффициент использования окна
J = плотность тока
B max = рабочая плотность потока
F = частота переключения
P o = выходная мощность

Шаг 2: значение произведения вольт-времени (В-мкс)

Определите значение VT на основе максимально допустимого рабочего цикла и частоты

Этап 3: Основные повороты

Определите минимальное количество витков первичной обмотки, необходимое для поддержки значения V-T в наихудшем случае.

Примечание: B < 0,3T для феррита

Шаг 4: Коэффициент поворота

Рассчитать соотношение витков вторичной и первичной обмотки

Примечание: падение напряжения на диоде В = 0,5–1 В

Этап 5: вторичные витки

Выберите точный первичный и вторичный счетчик оборотов, которые будут использоваться, на основе N p и N s /N p .

Шаг 6: Первичная индуктивность

Расчет необходимой первичной индуктивности:

В таблице ниже приведены типичные показатели эффективности:

Топология Диапазон эффективности
Floorback > 70%
Worvert > 85%
Push-Trav > 90%
Полумостовой > 90%
Полный мост > 90%

Шаг 7: Воздушный зазор

Трансформатор наименьшего размера и самой низкой стоимости достигается за счет полного использования сердечника.В конкретном приложении оптимальное использование сердечника связано с конкретной оптимальной длиной зазора сердечника.

Зазор сердечника будет определяться количеством первичных витков и характеристикой индуктивности. Проектировщик проверит, достаточно ли зазора для предотвращения насыщения сердечника.

Примечание. В топологиях двухтактного, прямого, полумостового и полномостового преобразователей воздушный зазор обычно не требуется, поскольку это фактически настоящее действие трансформатора.

Шаг 8: Размер провода

После того, как все витки обмотки определены, размер провода должен быть правильно выбран, чтобы свести к минимуму потери проводимости обмотки и индуктивность рассеяния.Потери в обмотке зависят от действующего значения тока, длины и ширины провода, а также конструкции трансформатора.

  • Размер провода можно определить по среднеквадратичному току обмотки.
  • Потери в обмотке зависят от сопротивления провода.
  • Сопротивление состоит из сопротивления постоянному току и сопротивления переменному току. На низких частотах R DC >> R AC , R AC можно эффективно игнорировать.
  • На высоких частотах может потребоваться использование многожильного/многожильного провода или фольги для минимизации сопротивления переменному току.
  • Из-за скин-эффекта и эффекта близости проводника диаметр провода/жилы должен быть меньше 2*Δ d ( Δ d = глубина скин-эффекта)
  • Предположим плотность тока обычно 3–6 А/мм 2 .

Шаг 9: Коэффициент заполнения

Коэффициент заполнения означает площадь намотки на всю площадь окна сердечника (должно быть < 1). Для первоначальных проектов рекомендуется использовать коэффициент заполнения не более 50%.Для трансформаторов с высокой плотностью мощности и несколькими выходами этот коэффициент может потребоваться дополнительно уменьшить.

  • После определения размеров проводов необходимо проверить, сможет ли площадь окна с выбранным сердечником вместить рассчитанные обмотки. Площадь окна, необходимая для каждой обмотки, должна быть рассчитана соответственно и сложена, также должны быть приняты во внимание площадь межобмоточной изоляции, бобины и пространства, существующие между витками.
  • На основе этих соображений общая требуемая площадь окна затем сравнивается с доступной площадью окна выбранного ядра. Если требуемая площадь окна больше выбранной, то необходимо либо уменьшить сечение провода, либо выбрать сердечник большего размера. Конечно, уменьшение сечения провода увеличивает потери трансформатора в меди.

Этап 10: Потери в сердечнике

В трансформаторе потери в сердечнике зависят от напряжения, приложенного к первичной обмотке.В индукторе это функция переменного тока, проходящего через индуктор. В любом случае для оценки потерь в сердечнике необходимо определить рабочий уровень плотности потока. Зная частоту и уровень B, потери в сердечнике можно оценить по кривым потерь в сердечнике из материала.

Этап 11: Потеря меди

В трансформаторе потери в меди зависят от сопротивления постоянному и переменному току.

Шаг 12: Повышение температуры

Повышение температуры важно для общей надежности цепи.Пребывание ниже заданной температуры гарантирует, что изоляция проводов действительна, температура ближайших активных компонентов не выходит за пределы их номинальной температуры, а общие температурные требования соблюдены. Может произойти тепловой разгон, в результате чего сердечник нагреется до температуры Кюри, что приведет к потере всех магнитных свойств и катастрофическому отказу. Общие потери измеряются в ваттах, а площадь поверхности в см 2 .

Конструкция трансформатора

Конструкция трансформатора оказывает большое влияние на индуктивность рассеяния первичной обмотки.Индуктивность рассеяния приводит к скачку напряжения при выключении полупроводникового ключа, поэтому минимизация индуктивности рассеяния приведет к меньшему скачку напряжения и снижению или даже отсутствию требований к демпфирующей цепи на первичной обмотке.

Для минимизации индуктивности рассеяния используются следующие методы:

  • Обмотки трансформатора всегда должны располагаться концентрично, т. е. располагаться друг над другом для максимального сцепления, по этой причине не следует использовать разъемные и многосекционные катушки.
  • Использование разделенной первичной обмотки, где первый слой обмотки является самой внутренней обмоткой, а второй слой намотан снаружи.
  • В трансформаторе с несколькими выходами вторичная обмотка с наибольшей выходной мощностью должна располагаться ближе всего к первичной обмотке для наилучшей связи и минимальной утечки.
  • Вторичные обмотки, состоящие всего из нескольких витков, должны располагаться по ширине окна шпульки, а не быть сгруппированы вместе, чтобы максимизировать связь с первичной обмоткой.Использование нескольких параллельных жил является дополнительным методом увеличения коэффициента заполнения и соединения обмотки с несколькими витками.
  • Чтобы свести к минимуму индуктивность рассеяния и при этом выполнить требования к изоляции, спроектируйте обмотки с использованием проводов с тройной изоляцией и минимального количества слоев ленты.

Конструкция с краевой намоткой или конструкция с тройной изоляцией используется для соответствия международным стандартам безопасности.

Экранирование трансформатора: Использование флюсовой ленты (медного экрана) вокруг всего трансформатора обеспечивает радиационную защиту по окружности от вихревых токов в трансформаторе.Этот экран представляет собой просто заземленную петлю из медной фольги вокруг всей сборки. Использование этого метода требует тщательного рассмотрения требований к изоляции, а также вопросов утечки и зазоров.

Вакуумная пропитка: Высокопроизводительные приложения, такие как военные, аэрокосмические, медицинские и высоковольтные, часто требуют дополнительного уровня защиты и изоляции. Вакуумная пропитка эпоксидными смолами и/или лаками может обеспечить такой высокий уровень производительности и долговечности.

См. другие сообщения в блоге из категории Switched Mode

  • Бхувана Мадхайян (Bhuvana Madhaiyan) — инженер по проектированию и разработке в Talema India.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.