Отличие импульсного трансформатора от обычного

Общие конструктивные схемы и классификация

Импульсные трансформаторы характеризуются рядом конструкций. Это связано с их применением в широком диапазоне энергий, усилий, напряжений, длительностей импульсов, различиями в назначении и условиях эксплуатации. Тем не менее, несмотря на это разнообразие, все конструктивные схемы ИТ можно свести к четырем основным типам: стержневой, броневой, бронестержневой и тороидальной. Поэтому по конструктивным особенностям ИТ можно классифицировать следующим образом:

• столб;
• бронированный;
• бронированные стержни;
• тороидальный.

Форма поперечного сечения МС может быть прямоугольной или круглой. Характерной конструктивной особенностью ИТ является относительно небольшое число витков в обмотках. По этой причине объем проводниковых материалов для обмоток ИТ значительно меньше объема ИК, и естественно принять объем ИК за общий технико-экономический показатель при проектировании ИТ.

Классификация импульсных трансформаторов по типу сердечника и катушек.

Если принять такой показатель качества, то поскольку не все конструкции в этом отношении равны, поскольку в каждой из них эффективно используется только часть объема МК, заключенная внутри обмоток, то наружные части МК, т.е ярмо, служат только для направления магнитного рабочего потока IT, а сечение постоянно по длине, то КПД при использовании MS можно охарактеризовать коэффициентом использования длины λ = h/l, где высота намотки h — общая высота витков.

Максимальные значения этого коэффициента составляют: для тороидальных МС — 0,95; для стержня — 0,6; для бронированных и бронированных стержней — 0,3. Таким образом, наиболее экономичны ИТ тороидального типа, относительно экономичны — стержневые и наименее экономичны — бронированные и бронированные стержневые.

Если принять во внимание, что конструктивно и технологически стержневые, броневые и бронестержневые ТТ примерно равны, то следует вывод о целесообразности применения в ТТ тороидальных и стержневых ТС, особенно мощных, отличающихся большим объемом ТС.

Коэффициент использования длины МК можно увеличить за счет увеличения высоты стержня или диаметра МК. Однако такие удлиненные по высоте или увеличенные в диаметре конструкции более крупные, менее прочные, нетехнологичные, для них характерны повышенный расход материалов проводников, потери мощности в обмотках, искажения преобразуемых импульсов и другие недостатки.

Для тех, кому будет интересно почитать, материал на тему: малоизвестные факты о двигателях постоянного тока.

Однако самое главное заключается в том, что наивысшие функциональные показатели достигаются в конструкции ИТ с максимально большой площадью поперечного сечения и минимальной длиной МС. В связи с этим коэффициент использования длины МС является относительным показателем и характеризует лишь степень конструктивного совершенства ИТ.

Схема подключения импульсных трансформаторов.

Следующее соображение облегчает классификацию. Характерным признаком класса напряжения является тип и конструкция основной изоляции ИТ, во многом определяющая конструкцию ИТ в целом.

Так, в ИТ на напряжение до 20 кВ можно применять сухую изоляцию из слоистого диэлектрика, в ряде случаев — воздушную изоляцию при нормальном давлении.

Поэтому, несмотря на некоторую условность, целесообразно ввести такую ​​классификацию по классу напряжения, чтобы значения напряжения отражали и расчетные функции изоляции, т.е в следующем виде:

• ИТ класса напряжения до 20 кВ;
• ИТ класса напряжения до 100 кВ;
• Класс напряжения ИТ выше 100 кВ.

В диапазоне напряжений 20-100 кВ обычно применяют бумажно-масляную или бумажно-пленочно-масляную изоляцию. При напряжении выше 100 кВ наилучший результат дает чисто масляная изоляция.

Требования к приборам

Преобразователи в источниках питания имеют ряд характеристик. Это функциональные блоки с определенной суммарной мощностью. Они обеспечивают правильное функционирование элементов в цепи.

Импульсный бытовой трансформатор отличается надежностью и высоким порогом перегрузки. Преобразователь отличается устойчивостью к механическим, климатическим воздействиям. Поэтому схема импульсного блока питания телевизоров, компьютеров, планшетов имеет большое электрическое сопротивление.

Установки имеют небольшие размеры. Стоимость представленных агрегатов зависит от объема, трудозатрат производства. Отличие представленных трансформаторов от других подобных устройств заключается в их высокой надежности.

Расчёт показателей

Импульсный трансформатор не только изготавливается на производстве, но и изготавливается самостоятельно. Чтобы самодельное устройство выполняло свои функции без ошибок и погрешностей, необходимо предварительно рассчитать:

• площадь ядра (в поперечном сечении),
• минимальное количество витков обмотки,
• диаметр сечения провода для цепей,

Определив значение основных параметров, не составит труда узнать общую мощность ИТ. Правильные расчеты помогут создать импульсный трансформатор, который при относительно небольшом весе будет иметь высокий КПД, расширенный диапазон напряжений. При этом затраты на собственное производство агрегата будут очень небольшими.

Процессы трансформации импульсов

Одним из основных элементов импульсных источников питания является импульсный трансформатор. Особенность этого типа трансформатора в том, что на вход подается периодическая последовательность импульсов одной полярности, содержащая постоянную составляющую тока.

Принцип работы преобразователя пульсирующего напряжения полностью идентичен работе любого другого трансформатора, то есть на обмотку первичного дросселя подается входное напряжение Uвх, которое в полном соответствии с законом электромагнитной индукции равно преобразуется на обмотке вторичной катушки в выходное напряжение Uвых с измененными параметрами.

Коэффициент трансформации напряжения определяется соотношением витков обмотки импульсного трансформатора для каждой катушки. Однако в отличие от обычных трансформаторов, работающих на синусоидальных гармониках со стандартной частотой 50 Гц, на вход ИТ подаются импульсы длительностью несколько десятков микросекунд, соответствующие частотам в пределах десятков кГц.

Простая схема электронного трансформатора.

Обычно это электромагнитные сигналы после уравновешивания переменного тока в полумостовых, мостовых или других схемах, применяемых в электронных преобразователях напряжения.

Как рассчитать и намотать импульсный трансформатор для полумостового блока питания?

Как сделать импульсный блок питания из перегоревшей лампочки за час?

Выбор типа магнитопровода.

Получение исходных данных для простого расчета импульсного трансформатора.

Как выбрать ферритовый кольцевой сердечник?

Как рассчитать количество витков первичной обмотки?

Как рассчитать диаметр провода для первичной и вторичной обмоток?

Особенности обмотки импульсных трансформаторов.

Как намотать импульсный трансформатор?

Выбор типа магнитопровода.

Наиболее универсальными магнитопроводами являются броневые Ш-образные и чашеобразные сердечники. Их можно использовать в любом импульсном блоке питания, благодаря возможности установки зазора между частями сердечника. Но мы собираемся намотать импульсный трансформатор для двухтактного полумостового преобразователя, сердечник которого не нуждается в зазоре, а потому идеально подойдет кольцевой магнитопровод. /

Для кольцевого сердечника не обязательно делать каркас и делать намоточное устройство. Все, что вам нужно сделать, это сделать простой маршрутный автобус.

На рисунке показан ферритовый магнитопровод M2000NM.

Определить типоразмер кольцевой магнитной цепи можно по следующим параметрам.

D — внешний диаметр кольца.

d — внутренний диаметр кольца.

Получение исходных данных для простого расчёта импульсного трансформатора.

Помню, когда нашу электросеть еще не приватизировали иностранцы, я построил импульсный блок питания. Работа затянулась до ночи. Во время последних тестов вдруг выяснилось, что ключевые транзисторы начали сильно греться. Оказалось, напряжение в сети ночью подскочило до 256 вольт!

Конечно, 256 вольт — это слишком много, но и ориентироваться на ГОСТ 220+5%-10% тоже не стоит. Если выбрать максимальное напряжение сети 220 вольт + 10%, то:

242*1,41=341,22В (считаем амплитудное значение).

341,22 — 0,8*2 ≈ 340В (вычесть из капли на выпрямителе).

Ориентировочное значение индукции определяем по таблице.

Пример: М2000НМ — 0,39Т.

Частота генерации преобразователя с самовозбуждением зависит от многих факторов, в том числе от величины нагрузки. Если вы выберете 20-30 кГц, вы вряд ли совершите большую ошибку.

Частоты среза и значения индуктивности для распространенных ферритов.

Как выбрать ферритовый кольцевой сердечник?

Вводим данные предполагаемого магнитопровода и данные, полученные в предыдущем разделе, в форму калькулятора для определения полной мощности сердечника.

Не следует выбирать размеры кольца, близкие к максимальному нагрузочному эффекту. Маленькие кольца наматывать не так удобно и приходится наматывать намного больше витков.

Если в корпусе достаточно свободного места для будущей конструкции, можно выбрать кольцо с заведомо большей суммарной мощностью.

В моем распоряжении было кольцо М2000НМ размером К28х16х9мм. Ввел входы в форму калькулятора и получил суммарную мощность 87 Вт. Этого более чем достаточно для моего 50-ваттного блока питания.

Запустите программу. Выберите «Расчет трансформаторного полумостового трансформатора с задающим генератором».

Чтобы калькулятор не «баннерил», заполните окна, не используемые для расчета вторичных обмоток, нулями.

Как рассчитать число витков первичной обмотки?

Вводим первые данные, полученные в предыдущих разделах, в форму калькулятора и получаем количество витков первичной обмотки. Изменяя размер кольца, ферритовую марку и частоту генерации инвертора, можно изменить количество витков первичной обмотки.

Следует отметить, что это очень и очень упрощенный расчет импульсного трансформатора.

Но характеристики нашего удивительного блока питания с самовозбуждением таковы, что инвертор сам подстраивается под параметры трансформатора и нагрузки, изменяя частоту генерации. Так с ростом нагрузки и попыткой трансформатора войти в насыщение увеличивается частота генерации и нормализуется работа. Таким же образом компенсируются небольшие ошибки в наших расчетах. Я пытался изменить число витков одного и того же трансформатора более чем в полтора раза, что отражено в примерах ниже, но существенных изменений в работе БП, кроме смены поколения, не обнаружил частота.

Как рассчитать диаметр провода для первичных и вторичных обмоток?

Диаметр провода первичной и вторичной обмоток зависит от параметров БП, занесенных в схему. Чем больше ток обмотки, тем больше требуется диаметр провода. Ток первичной обмотки пропорционален «;Используемой мощности трансформатора»;.

Особенности намотки импульсных трансформаторов.

Обмотка импульсных трансформаторов, а особенно трансформаторов на кольцевых и тороидальных магнитопроводах, имеет некоторые функции.

Дело в том, что при неравномерном распределении любой обмотки трансформатора по периметру магнитопровода отдельные участки магнитопровода могут уйти в насыщение, что может привести к значительному снижению мощности БП и даже привести к его провал.

Кажется, что можно просто рассчитать расстояние между отдельными витками катушки, чтобы витки обмотки точно укладывались в один или несколько слоев. Но на практике мотать такую ​​обмотку сложно и утомительно.

Пробуем намотать «ленивую намотку». И в этом случае проще всего намотать однослойную обмотку «виток к витку».

Что для этого нужно?

Необходимо подобрать провод такого диаметра, чтобы он укладывался «виток к витку», в один слой, в окно имеющегося кольцевого сердечника, да еще чтобы число витков в первичной обмотке не сильно отличалось от расчетный.

Если количество витков, полученное в калькуляторе, не отличается более чем на 10-20% от числа, полученного в формуле расчета укладки, можно смело мотать обмотку, не считая витков.

Правда, для такой обмотки, скорее всего, придется выбирать магнитопровод с несколько завышенной суммарной мощностью, что я уже рекомендовал выше.

1 — кольцевой сердечник.

D — диаметр, по которому можно вычислить длину окружности, занимаемую витками обмотки.

На картинке видно, что при намотке «виток к витку» расчетная длина окружности будет намного меньше внутреннего диаметра ферритового кольца. Это связано с диаметром самой проволоки и толщиной прокладки.

На самом деле фактическая окружность, которая будет заполнена проволокой, будет еще меньше. Это связано с тем, что обмоточный провод не прилегает к внутренней поверхности кольца, образуя зазор. Причем существует прямая зависимость между диаметром проволоки и величиной этого зазора.

Не следует увеличивать натяжение провода при намотке для уменьшения этого зазора, так как это может повредить изоляцию и сам провод.

Используя приведенную ниже эмпирическую формулу, вы можете рассчитать количество витков, исходя из диаметра существующего провода и диаметра окна сердечника.

Максимальная погрешность расчета составляет примерно -5%+10% и зависит от плотности проволоки.

w — число витков первичной обмотки,

Что такое потери энергии импульсного трансформатора?

сокращение потерь энергии и создание эффективного КПД является важным вопросом проектирования ИТ. Общие потери складываются из:

• потеря гистерезиса;
• вихревые токи;
• потери, связанные с несовершенством изоляции между листами;
• магнитная вязкость.

Кроме упрощенного расчета и завышения величин значительных потерь, компенсирующих отказ от обоснования потерь и вносящих в расчет грубые просчеты, применяют высоколегированные стали и жемчуг. Из-за этого для уменьшения потерь форму статической петли гистерезиса стараются приблизить к прямоугольной. Такие материалы служат для достижения высоких значений индукции.

Вихревые токи разделяются искусственно и с помощью предусмотренных в конструкции магнитной системы (МС) секций с большой, а то и максимально повышенной магнитной проницаемостью. Таким образом достигается более или менее удовлетворительное стабильное значение вихревого тока в пластинах из МС стали.

Материалы для изготовления импульсного трансформатора

Тип магнитного материала влияет на качественные показатели и функции импульсного режима. Оценка материала осуществляется по количеству и показателям и включает в себя следующие показатели качества:

• индукция насыщения;
• коэрцитивная сила;
• удельное сопротивление материалов устройства;
• возможность использования тончайших полос или стальных пластин.

К электротехническим сталям, желательным для изготовления ИТ, относятся марки: 3405 — 3408 и 3421 — 3425. Сталь 3425 имеет наибольшую индукцию насыщения и малую коэрцитивную силу, наибольшую квадратную петлю гистерезиса. Используется чаще всего.

Пермаллой (прецизионный сплав), обладающий магнитомягкими свойствами, обычно состоит из никеля и железа, обычно обработанных компонентами сплава.

Еще одним востребованным материалом для ИТ с малой длительностью преобразованного импульса являются ферриты, эти МС обладают необычно высоким удельным сопротивлением и полным отсутствием потерь на вихревые токи. Они используются для ИТ с серией импульсов, размер которых определяется в наносекундных интервалах времени.

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Структурная схема для импульсного источника сложнее, чем для трансформаторного источника. Чтобы понять принцип работы импульсного блока питания в целом, необходимо проанализировать функцию каждого узла в отдельности.

Структурная схема импульсного источника питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузок при выходе из строя БП и от импульсных помех, возникающих при работе устройства. В качестве примера рассмотрим фильтр и защиту промышленного компьютера SMPS.

Входные цепи импульсного выключателя МАВ-300В-П4.

Плавкий предохранитель на 5 ампер перегорает при превышении номинального тока во время аварии БП. Для защиты от перенапряжения поставлен варистор V1. В обычном режиме на работу устройства не влияет. При размыкании скачка в сети резко возрастает сопротивление, увеличивается ток через варистор. Это приводит к срабатыванию предохранителя.

Термистор отрицательного сопротивления THR1 изначально имеет высокое сопротивление и ограничивает ток, протекающий для зарядки конденсаторов фильтра высоковольтного выпрямителя. Затем термистор нагревается проходящим через него током, сопротивление падает, но в это время емкости уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазный дроссель FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Высоковольтный выпрямитель обычно строится по традиционной двухполупериодной мостовой схеме и не имеет особых характеристик. Если в преобразователе используется полумостовая схема, то фильтр выполняется из двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих таким образом центральную точку с напряжением, равным половине напряжения питания.

Часть импульсной цепи с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и с емкостным делителем напряжения С1-С2.

Иногда резисторы ставятся параллельно конденсаторам. Они необходимы для разряда емкостей после отключения питания.

Читайте также: Независимый генератор возбуждения

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых ключах (часто на транзисторах). Открываясь и закрываясь, ключи подают на обмотку импульсы напряжения. Этот метод создает своего рода переменное напряжение (однополярное), которое можно обычным образом преобразовать в напряжение другого уровня.

Схема транзисторных инверторов.

Простейшая схема преобразователя постоянного напряжения в импульсное — однотактная. Для его реализации потребуется минимум элементов. Недостаток такого узла в том, что с увеличением мощности резко увеличиваются габариты и вес трансформатора. Это связано с принципом работы такого преобразователя. Работает в два такта — во время первого транзистор открыт, энергия запасается в индуктивности первичной обмотки.

Во время второго накопленная энергия передается в нагрузку. Чем больше мощность, тем больше должна быть индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (соответственно увеличивается число витков во вторичных обмотках).

Двухтактная схема с центральной точкой (двухтактная) свободна от этого недостатка. Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые в свою очередь соединены с минусовой шиной через ключи. На рисунке красной стрелкой показано направление тока для одного цикла, а красной стрелкой для другого. Недостатком является необходимость иметь в два раза больше витков в первичке, а также наличие выбросов в момент переключения.

Их амплитуда может достигать удвоенного напряжения питания, поэтому необходимо использовать транзисторы с подходящими параметрами. Область применения такой схемы — низковольтные преобразователи.

Эмиссия отсутствует, если преобразователь выполнен по мостовой схеме. Мост состоит из четырех транзисторов, диагональ которых включает первичную обмотку трансформатора. Транзисторы открываются парами:

• первый цикл — верхний левый и нижний правый;
• вторая петля находится в левом нижнем и правом верхнем углу.

Обмотка подключается к токовому плюсу либо одним выводом, либо другим. Недостатком является использование 4-х транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом является использование полумостовой схемы. Здесь один конец первичной обмотки коммутируется, а другой подключается к перегородке из двух розеток. В этой схеме тоже нет броска напряжения, а используются только два транзистора. Недостатком этого решения является то, что на первичную обмотку подается только половина питающего напряжения. Вторая проблема заключается в том, что при изготовлении мощных источников емкость развязывающих конденсаторов растет, и их стоимость становится нецелесообразной.

Если ИИП построен по схеме с регулировкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев управление ключами осуществляется не напрямую от микросхемы ШИМ, а через промежуточный узел — драйвер. Это связано с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.
Фрагмент схемы промышленного источника импульсов — полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформаторе Т1.

В схемах всех инверторов используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие в себе характеристики обоих типов.

Выпрямитель

Напряжение, преобразованное во вторичные обмотки, должно быть выпрямлено. Если требуется выходное напряжение выше +12 вольт, можно использовать обычные мостовые схемы (как в высоковольтной секции).
Схема блока питания переменного тока с выходным напряжением до 30 вольт и двухполупериодным мостовым выпрямителем.

Если напряжение низкое, целесообразно использовать двухполупериодные схемы со средней точкой. Их преимущество в том, что падение напряжения происходит только на одном диоде за каждый полупериод. Это уменьшает количество витков в обмотке. С этой же целью применяют диоды Шоттки и сборки на них. Недостатком этого решения является более сложная конструкция вторичной обмотки.

Схема выпрямителя с центральной точкой и токоподводом.

Фильтр

Выпрямленное напряжение необходимо фильтровать. Для этой цели используются как традиционные емкости, так и индуктивности. Для используемых частот преобразования катушки индуктивности небольшие, легкие, но работают эффективно.

Схема цепей выходных фильтров каналов пульсирующего компьютерного блока питания.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи используются для стабилизации и регулировки выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник нестабилен, он не имеет этих цепей. Для устройств со стабилизацией тока или напряжения эти цепи выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью регулировки). Для контролируемых источников (лабораторных и т.п.) обратная связь включает проверки оперативной корректировки параметров.

Блок питания компьютера также имеет схему управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и т д).

Какие бывают виды и где применяются

Импульсы можно разделить по разным критериям. По выходному напряжению они делятся на:

• однополярные с одним уровнем напряжения;
• ондополярный с несколькими уровнями напряжения;
• биполярный.

Эти типы можно комбинировать как угодно — принципиальных ограничений нет. Можно создать блок питания, например, с несколькими однополярными напряжениями (+5 В, +24 В) и двухполярными (±12 В) или с двумя двухполярными выходами (±12 В, ±5 В). Все зависит от области использования.

Более интересна информация о типе стабилизации. Здесь ИИП можно разделить на категории:

1. Нестабилизированные источники. Их выходное напряжение зависит от нагрузки. Их можно использовать для управления оконечными устройствами аудиоаппаратуры (усилители и т.п.).
2. Стабилизированные источники. Для таких устройств нагрузка может не зависеть ни от напряжения, ни от тока, ни от того и другого. Источники со стабилизированным напряжением используются, например, в качестве блоков питания для компьютеров и серверов или для зарядки свинцовых аккумуляторов. Стабилизированный ток подходит для зарядных устройств для других типов аккумуляторов.
3. Регулируемые источники. У них уровень выходного напряжения и тока можно задавать в определенных пределах, в зависимости от необходимости. Такие устройства используются в качестве лабораторных источников питания.

Разводка и монтаж самодельного блока питания с регулировкой напряжения и тока

Невозможно описать все области использования импульсов. Применяются там, где необходимо получить большой ток от легкого и компактного источника.

Также можно разделить ИИП по схемам:

• с импульсным трансформатором;
• с накопительной индуктивностью.

Можно углубиться в схемы и классифицировать БП по другим признакам, но принципиального смысла это не имеет.

Особенности конструкции

Сердечники импульсных преобразователей имеют тороидальную или Ш-образную форму. При намотке импульсного трансформатора своими руками мастера отдают предпочтение кольцеобразной (тороидальной) конфигурации магнитопровода, так как для нее не нужно специально готовить каркас и приспособление для намотки. Для изготовления сердечников используются материалы с повышенной магнитной проницаемостью такие как:

• ферриты;
• трансформаторная кремнистая сталь;
• пермаллой.

Ферритовые кольцевые сердечники широко доступны, дешевы и доступны. Обозначение изделия осуществляется по типу К Dxdxh, где К – сокращение от слова «кольцо», D, d и h – размеры наружного и внутреннего диаметра кольца, высота кольца , соответственно. Размеры даны в мм, например К 28×16х9. Первичная и вторичная обмотки намотаны на ферритовой основе.

Интересный материал по теме: Что нужно знать о трансформаторах тока.

Ключевой особенностью конструкции является намотка первичной обмотки против часовой стрелки, вторичной — только по часовой стрелке. При изменении направления обмоток мощность устройства значительно снижается. Обмотки наматывают с обеих сторон кольца, с внутренней — с малым числом витков, с внешней — с большим числом витков.

Для уменьшения индуктивности рассеяния считается необходимым намотать обмотку в два слоя, а между слоями разместить еще одну обмотку. Иногда обмотки наматывают двумя проводами одновременно, тогда провода витков одной обмотки помещают между проводами витков другой.

Для чего нужны транзисторы и как они работают

Сфера применения ИБП

Эпоха классических трансформаторных блоков питания уходит в небытие. Импульсные преобразователи на основе полупроводниковых стабилизаторов заменяют их повсеместно, так как при одинаковой выходной мощности они характеризуются гораздо меньшими массогабаритными показателями, они надежнее аналоговых резисторов и имеют гораздо более высокий КПД, что позволяет снизить тепловые потери. Наконец, ИБП могут работать с широким диапазоном входных напряжений. Импульсный блок того же размера, что и трансформаторный, имеет во много раз большую мощность.

В настоящее время в областях, требующих преобразования переменного тока в постоянный, используются практически только импульсные преобразователи, при этом они также могут обеспечить повышение напряжения, что недоступно для классических аналоговых блоков. Еще одним преимуществом ИБП является возможность обеспечить изменение полярности выходного напряжения. Работа с высокими частотами облегчает функцию стабилизации/фильтрации выходных импульсов.

Маленькие преобразователи, построенные на специализированных микросхемах, составляют основу зарядных устройств для всевозможных мобильных гаджетов, а их надежность такова, что срок их службы значительно превышает ресурс мобильных устройств. Мы уже упоминали компьютерные блоки питания. Отметим, что принцип работы ИБП используется в 12-вольтовых драйверах питания светодиодов.

Помогла ли вам эта статья разобраться в принципе работы блока питания переменного тока? Если что-то осталось непонятным или вы просто хотите поблагодарить нас за информацию, ждем вас в разделе комментариев.

Расчет

Чтобы изготовить и намотать схемы трансформатора самостоятельно, необходимо произвести расчет импульсного трансформатора. Используется специальная техника. Сначала определяется ряд исходных характеристик оборудования.

Например, на первичную обмотку подается напряжение 300 В. Частота преобразования 25 кГц. Сердечник изготовлен из ферритового кольца размером 31 (40х25х11). Сначала определяют площадь сердечника в поперечном сечении:

Р = (40-25)/2*11 = 82,5 мм².

Затем вы можете рассчитать минимальное количество витков:

На основании полученных данных можно найти диаметр сечения провода, который понадобится для создания контуров:

Д = 78/181 = 0,43 мм.

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

ГМ = 300 * 0,6 = 180 Вт.

На основании полученных показателей можно самостоятельно рассчитать параметры всех составляющих будущего устройства. Изготовление трансформатора такого типа было бы увлекательным занятием для радиолюбителя.

Такое устройство надежно и качественно при правильной последовательности всех действий. Расчет ведется для каждой схемы индивидуально. При изготовлении такого оборудования вторичная обмотка должна быть замкнута на нагрузку потребителя. В противном случае устройство не будет считаться безопасным.

Работа трансформатора зависит от типа сборки, материалов и других параметров. Качество схемы напрямую зависит от импульсного блока. Поэтому расчетам, выбору материалов придается большое значение.

Импульсный трансформатор: принцип действия и функциональные особенности

Трансформатор представляет собой достаточно сложное техническое устройство, основной функцией которого является преобразование определенных характеристик и качеств электрической энергии, таких как напряжение или крутящий момент. Также современный трансформатор способен превращать переменный ток в постоянный и наоборот.

Среди огромного ассортимента используемых в настоящее время устройств особо следует выделить их импульсные варианты.

Импульсный трансформатор широко применяется в системах связи, ТН, устройствах автоматики, для внесения изменений амплитуды импульсов, а также их полярности. Главное условие успешной работы данного типа устройств – искажение передаваемого с их помощью сигнала должно быть минимальным.

Импульсный трансформатор основан в своей деятельности на следующем принципе: пока на вход подаются прямоугольные импульсы с определенным напряжением, в первичной обмотке постепенно возникает электрический ток, сила которого постепенно начинает возрастать. Это в свою очередь вызовет изменение магнитного поля и появление ЭДС во вторичной обмотке. При этом искажения сигнала практически отсутствуют, а возможные потери мощности настолько малы, что ими можно пренебречь.

Что же касается отрицательной части импульса, появление которой неизбежно при выходе импульсного трансформатора на расчетную мощность, то ее влияние можно минимизировать, установив во вторичной обмотке простой диод. Таким образом, и здесь импульс будет максимально приближен к прямоугольному.

Импульсный трансформатор отличается от других вариантов этой технической системы тем, что работает исключительно в ненасыщенном режиме. Его магнитная цепь изготовлена ​​из специального сплава, который в обязательном порядке обладает значительной емкостью магнитного поля.

Помимо импульсных, в современной энергетике и электронной промышленности используются следующие основные типы трансформаторов:

1. Деятельность любого современного радиоустройства невозможна без силовых трансформаторов. Их деятельность многогранна: с одной стороны, они необходимы для того, чтобы приемники могли работать от обычной сети переменного тока, а с другой стороны, для повышения или понижения напряжения до определенной частоты в усилителях. С этой функцией связана и важная конструктивная особенность силовых трансформаторов – вместо стальных сердечников здесь используются вставки из магнетита или карбонильного железа.
2. Еще одним типом устройств, в основном используемых в современных системах слежения за самолетами и бортовыми компьютерами, является роторный преобразователь. Принцип его работы заключается в том, что угол поворота рамы преобразуется в электрическое напряжение. Внешне вращающийся трансформатор представляет собой небольшую электрическую машину, работающую исключительно на переменном токе. Кроме того, в зависимости от того, где используются эти трансформаторы, они могут быть как двухполюсными, так и многополюсными.
3. В зависимости от того, какой ток поступает на первичную обмотку, различают трансформаторы переменного и постоянного тока. Основным типом первого типа является автотрансформатор, который состоит исключительно из катушки, которая напрямую подключается к электрической цепи. Этот тип устройства предназначен исключительно для понижения напряжения и только для очень малых токов. Трансформатор постоянного тока представляет собой более сложное устройство, состоящее из динамо-машины и двигателя.

   В этом случае первичный ток генерируется двигателем, а вторичный ток генерируется динамо-машиной, которая приводится в движение тем же электродвигателем. Часто возникает ситуация, когда трансформатор постоянного тока представляет собой двигатель и динамо-машину, соединенные друг с другом металлическим каркасом. Это делается для экономии материала, а также для повышения качества агрегата.

Обычный и планарный трансформаторы

Обычный импульсный трансформатор (рисунок ниже) состоит из первичной и вторичной обмоток, намотанных на катушку и ферритового сердечника. Изоляция проводов и слой изоляции между витками служат для разделения обмоток. Конфигурация катушки и сердечника определяется топологией схемы.

Планарный магнитный трансформатор (рисунок ниже) заменяет тонкий медный провод, намотанный на катушку, тонкими медными пластинами, «намотанными» на печатную плату. Печатная плата зажата между ферритовым сердечником и закреплена заклепками.

Как проверить устройство

После установки ИТ проверяется. Существует множество методов, как проверить собранный своими руками или купленный импульсный трансформатор. Для проверки собираются схемы с использованием генераторов частоты, осциллографов, мультиметров и других приборов, которые не только подтверждают работу ИТ.

Они проводят тестирование в разных частотных диапазонах. В импульсном трансформаторе не допускается разомкнутое состояние вторичной обмотки; этот режим относится к категории небезопасных режимов.

Как проверить импульсный трансформатор.

Также должны иметь минимальные индуктивность рассеяния, динамическую емкость и сопротивление; быть достаточно прочным механически.

Он должен быть виброустойчивым и выдерживать воздействие значительных электродинамических сил, возникающих как при нормальной работе, так и особенно при коротких замыканиях цепи нагрузки.

Требования высокой диэлектрической прочности и минимальной индуктивности рассеяния противоречат друг другу. Так как для повышения электрической прочности необходимо увеличить толщину изоляции, а для уменьшения индуктивности рассеяния необходимо уменьшить толщину.

Механизм действия и виды устройств

Работу импульсного трансформатора обеспечивает пара катушек, соединенных магнитопроводом и имеющих обмотку разной конфигурации. Количество витков на обмотке определяет мощность электрической энергии, получаемой на выходе.

Цепь первичной обмотки принимает однополярные импульсные сигналы. Он также определяет импульсы с коротким временным интервалом, которые имеют прямоугольную форму. Затем эти же импульсы отражаются на вторичной обмотке. Принцип отражения лежит в основе работы всех ИТ.

Трансформеры могут иметь разное устройство. Одной из характеристик конструкции являются типы намотки. В зависимости от него различают следующие виды устройств:

• тороидальный,
• столб,
• бронированный,
• бронированный столб.

Внутри этих трансформаторов могут использоваться различные обмотки. Катушки могут иметь форму:

• Спирали. В качестве основного материала используется фольга. Спиральные катушки отличаются минимальной индуктивностью рассеяния, чаще всего устанавливаются в автотрансформаторах.
• Цилиндр. Такая катушка отличается простой формой и малой индуктивностью.
• Конус. Такая форма достигается за счет разной толщины контуров, увеличивающейся от начала к концу.

Типы и формы обмоток оказывают непосредственное влияние на технические и эксплуатационные параметры ИТ, такие как напряжение, общая мощность, габариты и масса.

Каждый трансформатор имеет специальную маркировку, которая содержит информацию о разновидности и типе установленной катушки.

Что такое конденсатор и для чего он нужен в схемах

Импульсный трансформатор в чем основные отличие

Импульсный трансформатор (ИП), в отличие от обычного силового трансформатора той же мощности, имеет значительно меньшие потери и малые габаритные размеры, достигаемые в результате высокочастотного преобразования.

Основные отличия:

1. Размер импульсного трансформатора обратно пропорционален рабочей частоте.
2. Импульсный трансформатор работает от обычного с другой частотой по входному напряжению.

В настоящее время большинство блоков питания выполнено на импульсных трансформаторах. Здесь происходит снижение себестоимости продукции, удешевление изделия, экономия на габаритах и ​​весе.

Основной функцией импульсов является стабилизация выходного напряжения в рабочем режиме.

Еще одной областью использования является защита от короткого замыкания нагрузки на холостом ходу, и защита от чрезмерного повышения напряжения, а также перегрева устройств.

Особенности конструкций

Главной особенностью конструкции импульсных трансформаторов является малое число витков. Наиболее экономичными стали тороидальные устройства, а менее экономичными — бронебалки. См. Типы магнитопроводов

Цилиндрическая обмотка характеризуется малой индуктивностью рассеяния, имеет простую конструкцию и проста в изготовлении. Расположение и количество слоев может отличаться, как и схемы их соединения.

Виды обмоток импульсных трансформаторов

Спиральные

Они используются для трансформаторов с наименьшей индуктивностью рассеяния. Их использование целесообразно при автотрансформаторном подключении. Обертывание производится тонкой и широкой фольгой или лентой.

Конические

Предназначен для уменьшения индуктивной утечки при небольшом увеличении емкости обмотки. Их функцией является толщина слоев изоляции, которая напрямую зависит от напряжения между витками первичной и вторичной обмоток. Толщина изоляции увеличивается от начала к концу обмоток в линейной зависимости.

Цилиндрические

Они имеют малую индуктивность рассеяния, хорошую технологичность и простоту конструкции.

Потери энергии

Важной проблемой при создании конструкции импульсных трансформаторов является снижение потерь энергии и повышение КПД.

Потери состоят из:

• Потеря гистерезиса.
• Магнитная вязкость.
• Плохая изоляция.
• Вихревые токи.

Помимо простого расчета потерь, для магнитопровода применяют высоколегированные марки стали. Это позволяет уменьшить потери и приблизить форму петли гистерезиса к форме прямоугольника. Такие материалы предназначены для обеспечения значительных параметров индукции.

Вихревые токи отключаются искусственно. А также использовать конструкции магнитных систем с самой высокой магнитной проницаемостью. Таким образом достигаются стабильные параметры вихревого тока в магнитопроводе.

Применяемые материалы

Тип магнитного материала существенно влияет на качественные показатели и работу импульсного режима. Материал изготовления сердечника магнитопровода оценивают по значениям величин, определяющих качество свойств:

• Удельное сопротивление наносимых на устройство материалов.
• Индукция насыщения.
• Возможность использования самых тонких стальных пластин или лент.
• Коэрцитивная сила.

Электротехническая сталь

Импульсные трансформаторы предпочтительно оснащать магнитопроводами из электротехнической стали марок от 3405 до 3425, которые имеют самые высокие значения параметров индукции насыщения и низких параметров коэрцитивной силы, а также наибольшую площадь формы петли гистерезиса. Этот материал сейчас очень популярен.

Пермаллой

Этот материал представляет собой прецизионный сплав с магнитомягкими свойствами. Обычно состоит из железа и никеля с добавлением легирующих элементов.

Ферриты

Еще одним очень популярным материалом для изготовления импульсных трансформаторов, а точнее сердечника, являются ферритовые материалы. Имеют малую длительность преобразованных импульсов. Такие магнитопроводы имеют повышенное сопротивление и не имеют потерь от вихревых токов. Они используются для импульсных трансформаторов с интервалом между импульсами, измеряемым в несколько наносекунд.

Система обозначений и маркировки импульсных трансформаторов включает следующие элементы:

• Первая — буква — Т,
• Второй – буква I (импульс) или сочетание букв IM. Буква ОГ соответствует трансформаторам с длительностью входного импульса от 0,5 до 100 мкс, а ИМ — от 0,02 до 100 мкс.
• Третий – порядковый номер разработки.

Например: обозначение ТИ-5 — импульсный трансформатор с длительностью входного импульса от 0,5 до 100 мкс, номер исполнения 5