принцип работы, виды и расчёт

Импульсные трансформаторы (ИТ) являются востребованным прибором в хозяйственной деятельности. Часто  устанавливают в блоки питания бытовой, компьютерной, специальной техники. Импульсный трансформатор своими руками создают мастера с минимальным опытом работы в области радиотехники. Что это за устройство, а также принцип работы будут рассмотрены далее.

Область применения

Задача импульсного трансформатора заключается в защите электрического прибора от короткого замыкания, чрезмерного увеличения значения напряжения, нагрева корпуса. Стабильность блоков питания обеспечена импульсными трансформаторами. Подобные схемы применяются в триодных генераторах, магнетронах. Импульсник применяется при работе инвертора, газового лазера. Данные приборы устанавливают в схемах в качестве дифференцирующего трансформатора.

Радиоэлектронная аппаратура основана на трансформаторной способности импульсных преобразователей. При использовании импульсного блока питания организовывается работа цветного телевизора, обычного компьютерного монитора и т. д. Помимо обеспечения потребителя током требуемой мощности и частоты, трансформатором выполняется стабилизация значения напряжения при работе оборудования.

Видео: Как работает импульсный трансформатор?

Требования к приборам

Преобразователи в блоках питания обладают рядом характеристик. Это функциональные устройства, имеющие определенную габаритную мощность. Они обеспечивают правильное функционирование элементов в схеме.

Импульсный бытовой трансформатор обладает надежностью и высоким перегрузочным порогом. Преобразователь отличается стойкостью к механическим, климатическим воздействиям. Поэтому схема импульсного блока питания телевизоров, компьютеров, планшетов. отличается повышенной электрической устойчивостью.

Приборы обладают небольшой габаритной характеристикой. Стоимость представленных агрегатов зависит от области применения, трудозатрат на изготовление. Отличие представленных трансформаторов от иных подобных приборов заключается в их высокой надежности.

Принцип работы

Рассматривая, как работает агрегат представленного типа, нужно понять отличия между обычными силовыми установками и устройствами ИТ. Намотка трансформатора имеет разную конфигурацию. Это две катушки, связанные магнитоприводом. В зависимости от количества витков первичной и вторичной намотки, на выходе создается электричество с заданной мощностью. Например, в трансформаторе преобразовывается напряжение 12 в 220 В.

На первичный контур подаются однополярные импульсы. Сердечник остается в состоянии постоянного намагничивания. На первичной намотке определяются импульсные сигналы прямоугольной формы. Интервал между ними во времени короткий. При этом появляются перепады индуктивности. Они отражаются импульсами на вторичной катушке. Эта особенность является основой принципов функционирования подобного оборудования.

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.

Преимущества

Блоки питания с импульсным устройством обладают массой достоинств перед аналоговыми приборами. Именно по этой причине их подавляющее большинство изготавливается по представленной схеме.

Трансформаторы импульсного типа отличаются следующими преимуществами:

1. Малый вес.
2. Низкая цена.
3. Повышенный уровень КПД.
4. Расширенный диапазон напряжения.
5. Возможность встроить защиту.

Меньшим весом конструкция обладает из-за увеличения частоты сигнала. Конденсаторы уменьшаются в объеме. Схема их выпрямления наиболее простая.

Сравнивая обычные и импульсные блоки питания, видно, что в последних потери энергии сокращаются. Они наблюдаются при переходных процессах. КПД при этом может составлять 90-98%.

Меньшие габариты агрегатов позволяют снизить затраты на производство. Материалоемкость конечного продукта значительно уменьшается. Запитывать представленные аппараты можно от тока с различными характеристиками. Цифровые технологии, которые применяются при создании малогабаритных моделей, позволяют применять в конструкции специальные защитные блоки. Они предотвращают появление короткого замыкания, прочие аварийные ситуации.

Единственным недостатком импульсных разновидностей устройств является появление высокочастотных помех. Их приходится подавлять различными методами. Поэтому в некоторых разновидностях точных цифровых приборов подобные схемы не используются.

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.

Расчет

Чтобы создать и намотать трансформаторные контуры самостоятельно, потребуется произвести расчет импульсного трансформатора. Применяется специальная методика. Сначала определяют ряд исходных характеристик оборудования.

Например, на первичной обмотке установлено напряжение 300 В. Частота преобразования равняется 25 кГц. Сердечник выполнен из ферритового кольца типоразмером 31 (40х25х11). Сначала потребуется определить площадь сердечника в поперечном сечении:

П = (40-25)/2*11 = 82,5 мм².

Далее можно просчитать минимальное количество витков:

На основе полученных данных можно найти диаметр сечения провода, который потребуется для создания контуров:

Д = 78/181 = 0,43 мм.

Площадь сечения в этом случае равняется 0,12 м². Максимально допустимый ток на первичной катушке при таких параметрах не должен превышать 0,6 А. Габаритную мощность можно определить по следующей формуле:

ГМ = 300 * 0,6 = 180 Вт.

На основе полученных показателей можно самостоятельно рассчитать параметры всех составляющих будущего прибора. Создать трансформатор этого типа станет увлекательным занятием для радиолюбителя.

Подобный аппарат является надежным и качественным при правильной последовательности всех действий. Расчет проводится для каждой схемы индивидуально. При изготовлении подобного оборудования вторичная обмотка должна замыкаться на нагрузку потребителя. В противном случае прибор не будет считаться безопасным.

От типа сборки, материалов и прочих параметров зависит работа трансформатора. Качество схемы напрямую зависит от импульсного блока. Поэтом расчетам, выбору материалов уделяется высокое значение.

Интересное видео: Импульсный трансформатор своими руками

Рассмотрев особенности импульсных трансформаторов, можно понять их важность для многих радиоэлектронных схем. Создать подобное устройство самостоятельно можно только после соответствующего расчета.

Расчет импульсного трансформатора

Содержание:

Расчет обратноходового импульсного трансформатора: формулы, схемы, особенности

Обратноходовый импульсный трансформатор представляет собой устройство, необходимое для преобразования напряжения с гальванической развязкой. Сфера применения прибора обширная, по большей части это питание аппаратуры с малой и средней мощностью. Важно проводить тщательный расчет используемого обратноходового импульсного трансформатора, так как от этого полностью зависит эффективность процесса.

Что представляет собой устройство: составляющие части и принципиальная схема

Одноходовые трансформаторы импульсного типа представляют собой довольно распространенное оборудование. Дело в том, что при относительно малых показателях мощности они обеспечивают оптимально питание устройств.

Главным звеном принципиальной составляющей считают дроссель, выступающий или получателем энергии от первички или передатчиком энергии во вторичку. Именно от функционала дросселя зависит этап работы — первичный или вторичный цикл. Если дроссель подсоединяется к первичной обмотке, то появляется напряжение и ток нарастает равномерно. Энергия поступает в магнитопровод, а ключом считается транзистор. Диод ограничивает вторичная обмотка.

Если задействовать ключ, то ток пропадет на первичке, но дроссельный поток мгновенно изменения не покажет, следовательно, на вторичке образуется уменьшающийся последовательно ток. Именно он питает трансформатор или дроссель устройства. Понятно, что питание за счет энергии от конденсатора происходит на первом этапе. На втором же происходит ее преобразование и падение, которое можно рассчитать. Обычно этапы подачи и спада повторяются интервале от 20 КГц до 1 МГц.

Энергетические характеристики

Если рассматривать принципиальную схему устройства, то видно, что происходят спады и увеличения в линейном соотношении. Именно качеством и продолжительностью импульсов определяются характеристики выходного напряжения. Проводится модуляция для цепей обратной связи. Энергетические показатели трансформатора такого типа индивидуальны в каждом конкретном случае, но всегда устанавливаются ограничители, ведь прибор работает на максимальной мощности.

В результате этого микросхемы перестают обрабатывать импульсы. Создаются помехи и шумы, которые значительно влияют в негативную сторону на ход работы. Используется специальные модуляторы, которые сокращают энергетические потери импульсного трансформатора.

Принцип действия аппарата

Принцип действия устройства основан на импульсной подачи энергии. Оборудование разделяется на две обширных группы: с сигмамодуляцией и импульсной модуляцией. Первые отличаются тем, что они изменяются соотношения продолжительности импульсов с их частотой. Момент выбирается, когда закончится подача энергии и включится транзистор.

Продолжительность функционирования зависит от характеристик выходного напряжения. Если говорить о вариантах с широтно-импульсной модуляцией, то тут частота идентичная и постоянная. Напряжение — характеристика стабильная, определяется оно длительностью импульса к периоду его прохождения.

Также принцип работы определяется тем непрерывный или прерывистый поток магнитного поля установлен. Нельзя сказать, что какой-то из них лучше, просто это определяет вариативность использования.

Любой одноходовый импульсный трансформатор имеет как достоинства, так и недостатки. Среди преимуществ использования выделяют:

• минимальный вес и размеры, если сравнивать с другим видом оборудования, предназначенным для работы с частотой около 50 Гц;
• не нужна защита от короткого замыкания, так как оно произойти теоретически не может;
• сокращение использования меди, в результате чего трансформатор имеет минимальную цену;
• изменение показателей в зависимости от характеристик питающей цепи;
• нет помех, передача туда и обратно исключена из-за конструктивных особенностей.

Но, как и любое другое оборудование, обратноходовый импульсный трансформатор имеет и недостатки. К их числу относятся:

• максимальный запас энергии составляет 200 Вт — показатель ограничен работой дросселя;
• нет возможности работы на холостом ходу, то есть нагрузка подключается в обязательном порядке;
• возникают электромагнитные помехи и передаются, так как они есть в нагрузке, а она нужна.

Так как недостатки не так существенны, если сравнивать их с преимуществами, трансформаторы такого типа пользуются популярностью.

Область применения обратноходового трансформатора

Обратноходовый трансформатор пользуется в ряде случаев, когда требуется питание различной аппаратуры с показателями мощности до 200 Вт. К числу такой относят:

• личные или офисные компьютеры;
• техника, гаджеты и периферия;
• типы сберегающих энергию ламп или системы ламп;
• зарядные устройства для гаджетов и техники.

Трансформаторы обратно хода часто используются в комплекте с другими устройствами. Например, с ними изготовляются конструктивные узлы инверторных источников сварочного аппарата.

Для чего проводят ручной расчет трансформатора

Расчет преобразователя необходим по ряду причин. В первую очередь следует понимать, что он работает с устройствами с относительно небольшими мощностями, даже минимальное колебание показателя может привести к поломке. Второе — детальный просчет характеристик ручным образом позволит минимизировать помехи и энергетические потери. В результате это экономится бюджет.

Как сделать расчет трансформатора однотактного обратноходового источника питания

Расчет самостоятельный необходим. Делается по определенному алгоритму. Начинается процесс с определения минимальных и максимальных значений тока, затем происходит расчет емкости конденсатора и трансформаторов. Отдельно подбираются конструктивные узды и диоды, а в самом конце рассчитывается коэффициент полезного действия трансформатора.

Определение максимального и минимального значений выпрямленного сетевого напряжения

Есть формулы для max выпрямленного сетевого U: квадратный корень из двух, умноженный на U максимального значения сети. Равняется показатель 226 для этого случая. Минимальный — квадратный корень из двух, умноженный на U минимально значения напряжения минус 2, умноженное на U прямого падения напряжения.

Выбор выпрямительных диодов

Расчет обратного показателя элементарный — он равен максимуму, который прописан выше, а именно — 226 В. Стандартная схема — U н *I н /2 U входного мин. *n,

где U н — напряжение нагрузки среднее, I н — ток нагрузки, а n – коэффициент преобразователя (принимается равным около 0,9).

Стандартно показатели для случая I пр. max = 10 A; U ОБР. MAX = 560 В.

Расчет емкости конденсатора

Емкость конденсатора рассчитывается по формуле: 0,5* U н* I н/n* U сети мин.*f сети*m* U, f сети представляет собой частоты в 400 Гр,  где m – полупериоды на транзит показателя U.

Расчет максимального коэффициента заполнения

Максимум данный показатель просчитывается как дробь, в верхней части которой находится значение напряжения дополнительное (которое образовалось в закрытом состоянии после передачи энергии на нагрузку), в в нижней сумма дополненного напряжения с разностью входного U min и падающего на транзисторе трансформатора.

Расчет трансформатора

Зная, как вычислить максимальный ток обмотки и коэффициент трансформации, количество витков проводится расчет трансформатора. Расчет тс позволяет вычислить оптимальный показатель диаметра проводов обмотки первичной и вторичной, чтоб соблюдались необходимые условия.

Для упрощения работы создают табличную форму, куда вписывают данные об обмотках и допустимой их плотности. Опираясь на данные подбирают толщину и наименование. На этом этапе потери тс в целом принимаются равными потерям обмоток.

Выбираем транзистор VT1

Путем опытных расчетов и выявления максимум напряжения для стандартного случая используют КП809Б1 с показателями 500 В, 25 А. Потери в нем равны сумме общих — не более 6,7 Вт.

Выбор выпрямительного диода VD9

Принимаем во внимание, что I VD9 = I 2 = 10,8 А. U обр. макс=3,5 кВ, соединяются последовательным образом. Падание напряжения 1В.

Выбор элементов узла управления

Напряжение запуска — 16 В, R7=67 кОм, R 9= 2,2 кОм, R 12=22 Ом. Мощность вычисляется по номиналу и выходному току схемы.

Расчет демпфирующей цепи

Ls принимаем 1,5 мкГн. Выбрав ОМБГ-1 с емкостью 0,5 мкф, то сопротивление резистора составит 140 В. Резистор подбирается по формуле E LS(энергия индуктивности)  =E CД (поглощения цепи) =Е С13.

Расчёт КПД

КПД вычисляется по формуле  U н* Iн/ U н Iн +Ре1 +Pvt1+Pvd9+Pr7+Py). Если расчеты произведены верно, то оно должно сравняться с указанным в первом пункте макс и мин.

Самостоятельный расчет трансформатора обратноходового не так сложен, как может показаться на первый взгляд. Проводится он самостоятельно не только для сопоставления КПД, но для проверки эффективности резисторов. В среднем на подсчет ручным способом выделить нужно около 2-3 часов новичку.

Как перемотать трансформатор из блока питания ПК

Перед тем как начать перемотку трансформатора, его нужно разобрать. О простом методе разборки импульсного трансформатора из блока питания ПК можно прочитать тут.

Итак, разобрали трансформатор. Далее нужно нам разобраться для чего или подо что мы будем перематывать импульсный трансформатор.

Можно перемотать трансформатор для самого блока питания ПК, делается это для того, чтобы повысить выходное напряжение, при переделке БП ПК в регулируемый. В данном случае можно первичную обмотку оставить родной. Чаще всего, первичная обмотка импульсных трансформаторов из БП ПК разделена на две части. То есть, сначала мотается половина первичной обмотки, потом мотаются вторичные обмотки и сверху мотается вторая половина первичной обмотки. Так же, первичные полуобмотки могут иметь экран, в виде медной фольги.

Так вот, разматывая родные вторичные обмотки, можно посчитать количество витков, далее перемотать вторичную обмотку уже на несколько витков больше и восстановить верхнюю половину первичной обмотки. Тем самым мы сэкономим лакированный провод.

Лично я при переделке блоков питания ПК в регулируемый перематываю первичную и вторичную обмотки с нуля, пересчитывая их в программе Lite-CalcIT. При новом расчете следует учесть тот факт, что частота ШИМ у блоков питания ПК 30-36 кГц.

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

Скачиваем и запускаем программу Lite-CalcIT. Вбиваем  нужные нам напряжения и диаметры обмоточных проводов. Также указываем схему преобразования и схему выпрямления. Частота преобразования в моем случае 50 кГц, если трансформатор рассчитывается для переделки БП ПК в регулируемый, то следует указать частоту преобразования 30 кГц, иначе из-за малого количества витков, сердечник войдет в насыщение и по первичной обмотке начнет протекать очень большой ток холостого хода.

Вторичных обмотки будет две, с отводом от середины. Номинальное напряжение указывается для одной обмотки. В моем расчете номинальное напряжение стоит 32 Вольта, это значит, что после выпрямления, относительно среднего вывода мы получим +32 Вольта и -32 Вольта. Так как я рассчитываю трансформатор под импульсный источник питания УНЧ, то мне нужно двухполярное питание +-32 Вольта, соответственно схема выпрямления указана двухполярной, со средней точкой.

Если рассчитывать трансформатор под переделку БП ПК, то ничего в программе менять не нужно, за исключением частоты (30 кГц), то есть будем иметь также две вторичных обмотки.  Единственное, что изменится, это схема выпрямления, она будет однополярная со средней точкой.

Далее указываем габариты и другие параметры сердечника, добытого из БП ПК.

Ничего в расчете сложного нет.  В ходе него я получил следующие параметры:

— Число витков первичной обмотки 38;

-Число витков вторичной обмотки  10+10 двумя жилами указанного провода.

Начинаем мотать транс.

38 Витков первичной обмотки в один слой не влезут на мой каркас, поэтому мотать  буду в два слоя по 18 витков.

Подпаиваем к контакту провод и мотаем 18 витков,  один к другому.  Если смотреть на каркас сверху, то мотаю по часовой стрелке все обмотки.

Далее кладу слой изоляции. Изоляцию использую, какая есть, либо лавсановая пленка из ненужных обрезков витой пары, либо скотч.

После чего, не меняя направления, мотаем к основанию каркаса еще 18 витков, один к другому. Припаиваем контакт.

Кладем изоляцию. Все, первичка готова.

Пример намотки первичной обмотки на частоту 30 кГц.

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

Далее слой изоляции и остальные 13 витков, равномерно расположенных по всей длине каркаса.

Изолируем первичную обмотку от вторичной.

P.S. Если в один слой не влезает расчетное количество витков, то можно разделить на две равные половины, или мотать в один слой такое количество витков, которое влезет на всю длину каркаса. Остальное количество витков, которое не влезло, распределяем равномерно по всей длине каркаса сердечника.

Мотаем вторичную обмотку импульсного трансформатора.

Подпаиваем два провода к выводу нашего транса от БП ПК.

Мотаем в ту же сторону, что и первичную обмотку (в моем случае по часовой стрелке), 10 витков.

Оставляем хвост и изолируем.

Далее подпаиваем еще два провода к другим контактам.

Мотаем еще 10 витков, но уже в противоположную сторону предыдущей обмотки.

Оставляем хвост.

Теперь давайте разберемся, если нам отвод от середины не был бы нужен, то мы мотали бы от основания до верха по часовой стрелке 10 витков, потом слой изоляции, и далее в том же направлении еще 10 витков до основания каркаса.

В принципе можно и с отводом от середины так мотать, кому как удобней короче.

P.S. Обмотки должны быть намотаны, как можно симметрично и равномерно распределены по каркасу. Если полуобмотки получаться несимметричными, то будет разное напряжение в плечах.

Едем дальше. Опять изолируем вторичку, хотя крайнюю обмотку можно не изолировать, так лучше проходит охлаждение трансформатора.

Косу, которая получилась, перед  скручиванием необходимо зачистить от лака. Далее скрутить и залудить. При желании можно надеть термоусадку.

Похожие статьи