После этих размышлений я пришел к выводу, что первая тема должна быть именно про трансформатор и ни о чем другом! Хотелось бы еще оговориться: что я подразумеваю под понятием «мощный ИИП» - это мощности от 1 кВт и выше или в случае любителей хотя бы 500 Вт.
Рисунок 1 - Вот такой трансформатор на 2 кВт для Н-моста у нас получится в итоге
Великая битва или какой материал выбрать?
Когда-то внедрив в свой арсенал импульсную технику думал, что трансформаторы можно делать только на доступном всем феррите. Собрав первые конструкции первым делом решил выставить их на суд более опытных товарище и очень часто слышал такую фразу: «Ваш феррит гавно не самый лучший материал для импульсника» . Сразу я решил узнать у них какую же альтернативу можно ему противоспоставить и мне сказали - альсифер или как его еще называют синдаст.Чем же он так хорош и действительно ли лучше феррита?
Для начала надо определиться что должен уметь почти идеальный материал для трансформатора:
1) должен быть магнитомягким
, то есть легко намагничиваться и размагничиваться:
Рисунок 2 - Гистерезисные циклы ферромагнетиков: 1) жесткий цикл, 2) мягкий цикл
2) материал должен обладать как можно большей индукцией насыщения, что позволит либо уменьшить габариты сердечника, либо при их сохранение повысить мощность.
Насыщение
Явление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется.
В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.
3) материал должен иметь как можно меньшие потери на перемагничивание и токи Фуко
4) свойства материала не должны сильно изменяться при внешнем воздействии: механические усилия (сжатие или растяжение), изменение температуры и влажности.Теперь рассмотрим свойства феррита и насколько он соответствует предъявленным выше требованиям.
Феррит - является полупроводником, а значит обладает собственным высоким электрическим сопротивлением. Это означает, что на высоких частотах потери на вихревые токи (токи Фуко
) будут достаточно низкими. Получается как минимум одно условия из списка выше у нас уже выполнено. Идем дальше…
Ферриты бывают термостабильными и не стабильными, но этот параметр не является определяющим для ИИП. Важно то, что ферриты работают стабильно в температурном диапазоне от -60 и до +100 о С и это у самый простых и дешевых марок.
Рисунок 3 - Кривая намагничивания на частоте 20 кГц при разных температурах
И наконец-то самый главный пункт - на графике выше мы увидели параметр, который будет определять практически все - индукция насыщения . Для феррита она обычно принимается 0,39 Тл. Стоит запомнить, что при разных условиях - этот параметр будет меняться. Он зависит как от частоты, так и от температуры работы и от других параметров, но особый акцент стоит сделать на первых двух.
Вывод: феррит ништяк! отлично подходит для наших задач.
Несколько слов об альсифере и чем он отличается
1) альсифер работает в чуть большем широком спектре температур: от -60 и до +120 о С - подходит? Еще лучше чем феррит!
2) коэффициент потерь на гистерезис у альсиферов постоянный лишь в слабых полях (при малой мощности), в мощном поле они растут и очень сильно - это очень серьезный минус, особенно на мощностях более 2 кВт, так что тут проигрывает.
3) индукция насыщения до 1,2 Тл!
, в 4 раза больше чем у феррита! - главный параметр и так обгоняет, но не все так просто… Конечно это достоинство никуда не уйдет, но пункт 2 ослабляет его и очень сильно - определенно плюс.
Вывод: альсифер лучше чем феррит, в этом дядьке мне не соврали.
Результат битвы:
любой прочитав описание выше скажет альсифер нам подавай! И правильно… но попробуйте найти сердечник из альсифера и чтобы с габаритной мощностью 10 кВт? Тут обычно человек приходит в тупик, оказывается их и нету особо в продаже, а если и есть, то на заказ напрямую у производителя и цена вас испугает.
Получается используем феррит, тем более если оценивать в целом, то он проигрывает очень незначительно… феррит оценивается относительно альсифера в «8 из 10 попугаев».
Хотел я обратиться к своему любимому матану, но решил этого не делать, т.к. +10 000 знаков к статье считаю избыточным. Могу лишь посоветовать книгу с очень хорошими расчетами авторства Б. Семенова «Силовая электроника: от простому к сложному». Смысла пересказывать его выкладки с некими добавлениями смысла не вижу
Итак, приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора
Первым делом хочется сразу вспомнить очень серьезный момент - зазор в сердечнике. Он может «убить» всю мощность или добавить еще так на 30-40%. Хочу напомнить, что делаем мы трансформатор для Н-моста , а он относится к - прямоходовым преобразователям (forward по-буржуйский). Это значит, что зазор в идеале должен быть 0 мм.Как-то раз, обучаясь курсе на 2-3 решил собрать сварочный инвертор, обратился к топологии инверторов Kemppi. Там я увидел в трансформаторах зазор 0,15 мм. Стало интересно для чего же он. Подходить к преподавателям не стал, а взял и позвонил в российское представительство Kemppi! А что терять? На моей удивление меня соединили с инженером-схемотехником и он рассказал мне несколько теоретических моментов, которые позволили мне «выползти» за потолок в 1 кВт.
Если в кратце - зазор в 0,1-0,2 мм просто необходим! Это увеличивает скорость размагничивания сердечника, что позволяет прокачать через трансформатор большую мощность. Максимальный эффект от такого финта ушами зазора достиг в топологии «косой мост» , там введение зазор 0,15 мм дает прирост 100%! В нашем Н-мосту эта прибавка скромнее, но 40-60% думаю тоже не дурно.
Для изготовления трансформатора нам понадобится вот такой набор:
А) 
Рисунок 4 - Ферритовый сердечник Е70/33/32 из материала 3С90 (чуть лучший аналог N87)
Б) 
Рисукок 5 - Каркас для сердечника Е70/33/32 (тот что больше) и дроссель D46 из распыленного железа
Габаритная мощность такого трансформатора составляет 7,2 кВт. Такой запас нам нужен для обеспечения пусковых токов в 6-7 раз больше номинальных (600% по ТЗ). Такие пусковые токи правда бывают лишь у асинхронных двигателей, но учесть необходимо все!
Неожиданно «всплыл» некий дроссель, он понадобится в нашей дальнейшей схеме (аж 5 штук) и поэтому решил показать как и его наматывать.
Далее необходимо посчитать параметры намотки. Я использую программу от известного в определенных кругах товарища Starichok51 . Человек с огромными знаниями и всегда готовый учить и помогать, за что ему спасибо - в своей время помог встать на путь истинный. Называется программа - ExcellentIT 8.1 .
Привожу пример расчета на 2 кВт:
Рисунок 6 - Расчет импульсного трансформатора по мостовой схеме на 2 кВт повышающий
Как производить расчет:
1) Выделено красным. Это вводные параметры, которые обычно выставляются по умолчанию:а) максимальная индукция. Помните для феррита она 0,39 Тл, но у нас трансформатор работает на достаточно высокой частоте, поэтому программа выставляет 0,186 сама. Это индукция насыщения в саааамых плохих условиях, включая нагрев до 125 градусов
б) частота преобразования, она задается нами и чем она определяется на схеме будет в следующих статьях. Частота эта должна быть от 20 до 120 кГц. Если меньше - мы будет слышать работу транса и свист, если выше , то наши ключи (транзисторы) будут иметь большие динамические потери. А IGBT ключи даже дорогие работают до 150 кГц
в) коэф. заполнения окна - важный параметр, ибо место на каркасе и сердечнике ограничено, не стоит его делать больше 0,35 иначе обмотки не влезут
г) плотность тока - этот параметр может быть до 10 А/мм 2 . Это максимальный ток, который может протекать через проводник. Оптимальное значение 5-6 А/мм 2 - в условиях жесткой эксплуатации: плохое охлаждение, постоянная работа на предельной нагрузке и прочее. 8-10 А/мм 2 - можно ставить если у вас устройство идеально вентилируется и стоит over 9000 несколько куллеров.
д) питание на входе. Т.к. мы рассчитываем трансформатор для DC->DC 48В в 400В, то ставим входное напряжение как в расчете. Откуда цифра взялась. В разряженном состоянии аккумулятор отдает 10.5В, дальше разряжать - снижать срок службы, умножаем на количество батарей (4 шт) и получаем 42В. Возьмем с запасом 40В. 48В берется из произведения 12В * 4 шт. 58В берется из соображения, что в заряженном состоянии батарея имеет напряжение 14,2-14,4В и по аналогии умножаем на 4.
2) Выделено синим.
а) ставим 400В, т.к. это запас для обратной связи по напряжению и для нарезки синуса необходимо минимум 342В
б) номинальный ток. Выбираем из соображения 2400 Вт / 220(230) В = 12А. Как видите везде я беру запас не менее 20%. Так поступает любой уважающий себя производитель качественной техники. В СССР такой запас был эталонный 25% даже для самых сложных условий. Почему 220(230)В - это напряжение на выходе уже чистого синуса.
в) минимальный ток. Выбирается из реальных условий, этот параметр влияет на размер выходного дросселя, поэтому чем больше минимальный ток, тем меньше дроссель, а значит и дешевле устройство. Я опять же выбрал худший вариант 1А, это ток на 2-3 лампочки или 3-4 роутеров.
г) падение на диодах. Т.к. у нас на выходе будут диоды быстродействующие (ultra-fast), то падение на них 0.6В в худших условиях (превышена температура).
д) диаметр провода. У меня некогда купленная катушка меди 20 кг на такой случай и как раз с диаметром 1 мм. Тут ставим тот, который у вас есть. Только более 1,18 мм ставить не советую, т.к. начнет сказываться скин-эффект
Скин-эффект
Скин-эффект - эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Если говорить не как гугл, а моим колхозным языком, то если взять проводник большого сечения, то он не будет использоваться полностью, т.к. токи на большей частоте протекают по поверхности, а центр проводника будет «пустой»
3) Выделено зеленым. Тут все просто - топология у нас планируется «полный мост» и выбираем ее.
4) Выделено оранжевым. Происходит процесс выбора сердечника, все интуитивно понятно. Большое количество стандартных сердечников уже есть в библиотеки, как и наш, но если что можно и добавить путем ввода габаритов.
5) Выделено фиолетовым. Выходные параметры с расчетами. Отдельным окном выделил коэф. заполнения окна, помните - не более 0,35, а лучше не более 0,3. Так же даны все необходимые значения: количество витков для первичной и вторичной обмотки, количество проводов ранее заданного диаметра в «косе» для намотки.
Так же даны параметры для дальнейшего расчета выходного дросселя: индуктивность и пульсации напряжения.
Теперь необходимо рассчитать выходной дроссель. Нужен он чтобы сгладить пульсации, а так же чтобы создать «равномерный» ток. Расчет проводится в программе того же автора и называется она DrosselRing 5.0
. Расчет для нашего трансформатора приведу:
Рисунок 7 - Расчет выходного дросселя для повышающего DC-DC преобразователя
В данном расчете все проще и понятнее, работает по тому же принципу, выходные данные: количество витков и количество проводов в косе.
Стадии изготовления
Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора и дросселя.Главное правило намотки импульсного трансформатора - все без исключения обмотки должны быть намотаны в одну сторону!
Стадия 1:
Рисунок 8 - Процесс намотки вторичной (высоковольтной) обмотки
Мотаем на каркас необходимое число витков в 2 провода диаметром 1 мм. Запоминаем направление намотки, а лучше отмечаем маркером на каркасе.
Стадия 2:
Рисунок 9 - Изолируем вторичную обмотку
Изолируем вторичную обмотку фторопластовой лентой толщиной 1 мм, такая изоляция выдерживает не менее 1000 В. Так же дополнительно пропитываем лаком, это еще +600В к изоляции. Если нету фторопластовой ленты, то изолируем обычным сантехническим фумом в 4-6 слоев. Это тот же фторопласт, только 150-200 мкм толщиной.
Стадия 3:
Рисунок 10 - Начинаем мотать первичную обмотку, распаиваем провода на каркас
Намотку проводим в одну сторону со вторичной обмоткой!
Стадия 4:
Рисунок 11 - Выводим хвост первичной обмотки
Доматывает обмотку, изолируем ее так же фторопластовой лентой. Желательно еще и пропитать лаком.
Стадия 5:
Рисунок 12 - Пропитываем лаком и распаиваем «хвост». Намотка обмоток окончена
Стадия 6:
Рисунок 13 - Завершаем намотку и изоляцию трансформатора киперной лентой с окончательной пропиткой в лаке
Киперная лента
Киперная лента - хлопчатобумажная (реже шёлковая или полушелковая) тесьма из киперной ткани шириной от 8 до 50 мм, саржевого или диагонального переплетения; суровая, отбельная или гладкокрашеная. Материал ленты отличается высокой плотностью за счет переплетения, он толще, чем у своего ближайшего аналога - миткалевой ленты - из-за использования более толстых нитей.
Спасибо википедии.
Стадия 7:
Рисунок 14 - Так выглядит законченный вариант трансформатора
Зазор 0,15 мм устанавливается в процессе склеивания, путем вкладывания между половинками сердечника подходящей пленки. Лучший вариант - пленка для печати. Сердечник склеивается клеем моментом (хорошим) или эпоксидной смолой. 1-й вариант на века, 2-й позволяет в случае чего разобрать трансформатор без повреждений, например, если понадобится домотать еще обмотку или добавить витков.
Намотка дросселя
Теперь по аналогии необходимо намотать дроссель, конечно мотать на тороидальном сердечнике сложнее, но такой вариант будет компактнее. Все данные у нас имеются из программы, материал сердечника распыленное железо или пермаллой. Индукция насыщения у данного материала 0,55 Тл.
Стадия 1:
Рисунок 15 - Обматываем кольцо фторопластовой лентой
Эта операция позволяет избежать случая с пробоем обмотки на сердечник, это бывает редко, но мы же за качество и делаем для себя!
Стадия 2:
Рисунок 16 - Наматываем нужное количество витков и изолируем
В данном случае количество витков не уместится в один слой намотки, поэтому необходимо после намотки первого слоя произолировать и намотать второй слой с последующей изоляцией.
ИИП
Во многом зависит от того, насколько правильно выполнен . Небольшое отклонение его параметров от оптимальных для конкретного источника питания приводит к снижению КПД и ухудшению характеристик.
Порядок расчета импульсного трансформатора
Рисп = 1,3 Рн (Рн — мощность, потребляемая нагрузкой). Далее, задавшись габаритной мощностью Ргаб, которая должная удовлетворять условию Ргаб ≥ Рисп, необходимо подобрать подходящий тороидальный ферритовый магнитопровод. Параметры магнитопровода связаны с Ргаб соотношением Ргаб = ScS0fBmax/150, Вт.
Здесь f — частота преобразования напряжения, Гц; Sc = (D-d)h/2 — площадь сечения магнитопровода, см2 (D и d — соответственно наружный и внутренний диаметры, h — высота кольца, см); S0 = p d2/4 — площадь окна магнитопровода, см2; Bmax — максимальное значение индукции (в тесла), которое зависит от марки феррита и может быть определено по справочнику, содержащему сведения о ферромагнитных материалах.
После этого зная напряжение на первичной обмотке трансформатора U1, находят число витков w1=0,25x104U1/fBmaxSc.
Для преобразователя (см. рисунок) U1 = Uпит/2- Uкэ нас, где Uпит — напряжение питания преобразователя, а Uкэ нас — напряжение насыщения коллектор — эмиттер транзисторов VT1, VT2.
Рассчитанное значение w1 нужно округлить в большую сторону (во избежание насыщения магнитопровода).
Затем находят число витков вторичной обмотки трансформатора: w2 = w1U2/U1 и диаметр провода: d2 = 0,6√I2 (U2 и I2 — соответственно напряжение и ток вторичной обмотки).
Теперь для закрепления пройденного материала рассмотрим расчет трансформатора для на конкретном примере.
- Рассчитаем высокочастотный трансформатор блока питания стереофонического усилителя [ 3] , имеющего следующие выходные напряжения и токи:
- U2 = (25+25) В
- I2 = 3 A
- U3 = 20 В
- I3 = 1 A
- U4 = 10 В
- I4 = 3 А
Мощность нагрузки Pн = 200 Вт. Используемая мощность этого трансформатора Рисп = 1,3 · 200 = 260 Вт.
Частоту преобразования f выберем равной 10 5 Гц. В качестве магнитопровода используем кольцо типоразмера К38х24х7 из феррита марки 2000НН (Вmax = 0.25 T).
Определим площадь сечения Sc = (3,8 — 2,4) · 0,7/2 = 0,49 см 2 и площадь окна выбранного магнитопровода So=p ·2,4 2 ÷ 4 = 4,5 см 2 , рассчитаем габаритную мощность трансформатора Ргаб=0,49·4,5·10 5 ·0,25/150= = 367 Вт. Условие Ргаб ≥ Рисп выполняется.
Теперь определим напряжение на первичной обмотке трансформатора и число витков:
U1 = (285/2) — 1,6 = 141 В; w1 = (0,25 ∙10 4 ∙ 141) ÷ (10 5 ∙ 0,25 ∙ 0,49) ≈ 29.
Для исключения насыщения магнитопровода выбираем w1 = 30.
Imax = 200/0,8 · 141 = 1,75 A; d1 = 0,6√1,75 = 0,8 мм..
И в заключении этого определяем число витков и диаметр провода выходных обмоток:
w2 = 30 · 25/141 = 5; d2 = 0,6√3 = 1 мм;
w3 = 30 · 20/141 = 4; d3 = 0,6√1 = 0,6 мм;
w4 = 30 · 10/141 = 2; d4 = 0,6√3 = 1 мм.
И все таки меня пригласили! Теперь дело со статьями пойдет более оперативно. Темой следующей части изначально я хотел сделать схемотехнику какого нибудь блока, а чего ждать? Но тут вспомнил свою школьную молодость и саму великую проблему с которой сталкивался - как изготовить неведомое для меня на тот момент зверя устройство - импульсный трансформатор . Прошло десять лет и я понимаю, что у многих (и не только начинающих) радиолюбителей, электронщиков и студентов возникают такие трудности - они попросту их боятся, а как следствие стараются избегать мощных импульсных источников питания (далее ИИП ).После этих размышлений я пришел к выводу, что первая тема должна быть именно про трансформатор и ни о чем другом! Хотелось бы еще оговориться: что я подразумеваю под понятием «мощный ИИП» - это мощности от 1 кВт и выше или в случае любителей хотя бы 500 Вт.
Рисунок 1 - Вот такой трансформатор на 2 кВт для Н-моста у нас получится в итоге
Великая битва или какой материал выбрать?
Когда-то внедрив в свой арсенал импульсную технику думал, что трансформаторы можно делать только на доступном всем феррите. Собрав первые конструкции первым делом решил выставить их на суд более опытных товарище и очень часто слышал такую фразу: «Ваш феррит гавно не самый лучший материал для импульсника» . Сразу я решил узнать у них какую же альтернативу можно ему противоспоставить и мне сказали - альсифер или как его еще называют синдаст.Чем же он так хорош и действительно ли лучше феррита?
Для начала надо определиться что должен уметь почти идеальный материал для трансформатора:
1) должен быть магнитомягким
, то есть легко намагничиваться и размагничиваться:
Рисунок 2 - Гистерезисные циклы ферромагнетиков: 1) жесткий цикл, 2) мягкий цикл
2) материал должен обладать как можно большей индукцией насыщения, что позволит либо уменьшить габариты сердечника, либо при их сохранение повысить мощность.
Насыщение
Явление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется.
В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.
3) материал должен иметь как можно меньшие потери на перемагничивание и токи Фуко
4) свойства материала не должны сильно изменяться при внешнем воздействии: механические усилия (сжатие или растяжение), изменение температуры и влажности.Теперь рассмотрим свойства феррита и насколько он соответствует предъявленным выше требованиям.
Феррит - является полупроводником, а значит обладает собственным высоким электрическим сопротивлением. Это означает, что на высоких частотах потери на вихревые токи (токи Фуко
) будут достаточно низкими. Получается как минимум одно условия из списка выше у нас уже выполнено. Идем дальше…
Ферриты бывают термостабильными и не стабильными, но этот параметр не является определяющим для ИИП. Важно то, что ферриты работают стабильно в температурном диапазоне от -60 и до +100 о С и это у самый простых и дешевых марок.
Рисунок 3 - Кривая намагничивания на частоте 20 кГц при разных температурах
И наконец-то самый главный пункт - на графике выше мы увидели параметр, который будет определять практически все - индукция насыщения . Для феррита она обычно принимается 0,39 Тл. Стоит запомнить, что при разных условиях - этот параметр будет меняться. Он зависит как от частоты, так и от температуры работы и от других параметров, но особый акцент стоит сделать на первых двух.
Вывод: феррит ништяк! отлично подходит для наших задач.
Несколько слов об альсифере и чем он отличается
1) альсифер работает в чуть большем широком спектре температур: от -60 и до +120 о С - подходит? Еще лучше чем феррит!
2) коэффициент потерь на гистерезис у альсиферов постоянный лишь в слабых полях (при малой мощности), в мощном поле они растут и очень сильно - это очень серьезный минус, особенно на мощностях более 2 кВт, так что тут проигрывает.
3) индукция насыщения до 1,2 Тл!
, в 4 раза больше чем у феррита! - главный параметр и так обгоняет, но не все так просто… Конечно это достоинство никуда не уйдет, но пункт 2 ослабляет его и очень сильно - определенно плюс.
Вывод: альсифер лучше чем феррит, в этом дядьке мне не соврали.
Результат битвы:
любой прочитав описание выше скажет альсифер нам подавай! И правильно… но попробуйте найти сердечник из альсифера и чтобы с габаритной мощностью 10 кВт? Тут обычно человек приходит в тупик, оказывается их и нету особо в продаже, а если и есть, то на заказ напрямую у производителя и цена вас испугает.
Получается используем феррит, тем более если оценивать в целом, то он проигрывает очень незначительно… феррит оценивается относительно альсифера в «8 из 10 попугаев».
Хотел я обратиться к своему любимому матану, но решил этого не делать, т.к. +10 000 знаков к статье считаю избыточным. Могу лишь посоветовать книгу с очень хорошими расчетами авторства Б. Семенова «Силовая электроника: от простому к сложному». Смысла пересказывать его выкладки с некими добавлениями смысла не вижу
Итак, приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора
Первым делом хочется сразу вспомнить очень серьезный момент - зазор в сердечнике. Он может «убить» всю мощность или добавить еще так на 30-40%. Хочу напомнить, что делаем мы трансформатор для Н-моста , а он относится к - прямоходовым преобразователям (forward по-буржуйский). Это значит, что зазор в идеале должен быть 0 мм.Как-то раз, обучаясь курсе на 2-3 решил собрать сварочный инвертор, обратился к топологии инверторов Kemppi. Там я увидел в трансформаторах зазор 0,15 мм. Стало интересно для чего же он. Подходить к преподавателям не стал, а взял и позвонил в российское представительство Kemppi! А что терять? На моей удивление меня соединили с инженером-схемотехником и он рассказал мне несколько теоретических моментов, которые позволили мне «выползти» за потолок в 1 кВт.
Если в кратце - зазор в 0,1-0,2 мм просто необходим! Это увеличивает скорость размагничивания сердечника, что позволяет прокачать через трансформатор большую мощность. Максимальный эффект от такого финта ушами зазора достиг в топологии «косой мост» , там введение зазор 0,15 мм дает прирост 100%! В нашем Н-мосту эта прибавка скромнее, но 40-60% думаю тоже не дурно.
Для изготовления трансформатора нам понадобится вот такой набор:
А)
Рисунок 4 - Ферритовый сердечник Е70/33/32 из материала 3С90 (чуть лучший аналог N87)
Б)
Рисукок 5 - Каркас для сердечника Е70/33/32 (тот что больше) и дроссель D46 из распыленного железа
Габаритная мощность такого трансформатора составляет 7,2 кВт. Такой запас нам нужен для обеспечения пусковых токов в 6-7 раз больше номинальных (600% по ТЗ). Такие пусковые токи правда бывают лишь у асинхронных двигателей, но учесть необходимо все!
Неожиданно «всплыл» некий дроссель, он понадобится в нашей дальнейшей схеме (аж 5 штук) и поэтому решил показать как и его наматывать.
Далее необходимо посчитать параметры намотки. Я использую программу от известного в определенных кругах товарища Starichok51 . Человек с огромными знаниями и всегда готовый учить и помогать, за что ему спасибо - в своей время помог встать на путь истинный. Называется программа - ExcellentIT 8.1 .
Привожу пример расчета на 2 кВт:
Рисунок 6 - Расчет импульсного трансформатора по мостовой схеме на 2 кВт повышающий
Как производить расчет:
1) Выделено красным. Это вводные параметры, которые обычно выставляются по умолчанию:а) максимальная индукция. Помните для феррита она 0,39 Тл, но у нас трансформатор работает на достаточно высокой частоте, поэтому программа выставляет 0,186 сама. Это индукция насыщения в саааамых плохих условиях, включая нагрев до 125 градусов
б) частота преобразования, она задается нами и чем она определяется на схеме будет в следующих статьях. Частота эта должна быть от 20 до 120 кГц. Если меньше - мы будет слышать работу транса и свист, если выше , то наши ключи (транзисторы) будут иметь большие динамические потери. А IGBT ключи даже дорогие работают до 150 кГц
в) коэф. заполнения окна - важный параметр, ибо место на каркасе и сердечнике ограничено, не стоит его делать больше 0,35 иначе обмотки не влезут
г) плотность тока - этот параметр может быть до 10 А/мм 2 . Это максимальный ток, который может протекать через проводник. Оптимальное значение 5-6 А/мм 2 - в условиях жесткой эксплуатации: плохое охлаждение, постоянная работа на предельной нагрузке и прочее. 8-10 А/мм 2 - можно ставить если у вас устройство идеально вентилируется и стоит over 9000 несколько куллеров.
д) питание на входе. Т.к. мы рассчитываем трансформатор для DC->DC 48В в 400В, то ставим входное напряжение как в расчете. Откуда цифра взялась. В разряженном состоянии аккумулятор отдает 10.5В, дальше разряжать - снижать срок службы, умножаем на количество батарей (4 шт) и получаем 42В. Возьмем с запасом 40В. 48В берется из произведения 12В * 4 шт. 58В берется из соображения, что в заряженном состоянии батарея имеет напряжение 14,2-14,4В и по аналогии умножаем на 4.
2) Выделено синим.
а) ставим 400В, т.к. это запас для обратной связи по напряжению и для нарезки синуса необходимо минимум 342В
б) номинальный ток. Выбираем из соображения 2400 Вт / 220(230) В = 12А. Как видите везде я беру запас не менее 20%. Так поступает любой уважающий себя производитель качественной техники. В СССР такой запас был эталонный 25% даже для самых сложных условий. Почему 220(230)В - это напряжение на выходе уже чистого синуса.
в) минимальный ток. Выбирается из реальных условий, этот параметр влияет на размер выходного дросселя, поэтому чем больше минимальный ток, тем меньше дроссель, а значит и дешевле устройство. Я опять же выбрал худший вариант 1А, это ток на 2-3 лампочки или 3-4 роутеров.
г) падение на диодах. Т.к. у нас на выходе будут диоды быстродействующие (ultra-fast), то падение на них 0.6В в худших условиях (превышена температура).
д) диаметр провода. У меня некогда купленная катушка меди 20 кг на такой случай и как раз с диаметром 1 мм. Тут ставим тот, который у вас есть. Только более 1,18 мм ставить не советую, т.к. начнет сказываться скин-эффект
Скин-эффект
Скин-эффект - эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Если говорить не как гугл, а моим колхозным языком, то если взять проводник большого сечения, то он не будет использоваться полностью, т.к. токи на большей частоте протекают по поверхности, а центр проводника будет «пустой»
3) Выделено зеленым. Тут все просто - топология у нас планируется «полный мост» и выбираем ее.
4) Выделено оранжевым. Происходит процесс выбора сердечника, все интуитивно понятно. Большое количество стандартных сердечников уже есть в библиотеки, как и наш, но если что можно и добавить путем ввода габаритов.
5) Выделено фиолетовым. Выходные параметры с расчетами. Отдельным окном выделил коэф. заполнения окна, помните - не более 0,35, а лучше не более 0,3. Так же даны все необходимые значения: количество витков для первичной и вторичной обмотки, количество проводов ранее заданного диаметра в «косе» для намотки.
Так же даны параметры для дальнейшего расчета выходного дросселя: индуктивность и пульсации напряжения.
Теперь необходимо рассчитать выходной дроссель. Нужен он чтобы сгладить пульсации, а так же чтобы создать «равномерный» ток. Расчет проводится в программе того же автора и называется она DrosselRing 5.0
. Расчет для нашего трансформатора приведу:
Рисунок 7 - Расчет выходного дросселя для повышающего DC-DC преобразователя
В данном расчете все проще и понятнее, работает по тому же принципу, выходные данные: количество витков и количество проводов в косе.
Стадии изготовления
Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора и дросселя.Главное правило намотки импульсного трансформатора - все без исключения обмотки должны быть намотаны в одну сторону!
Стадия 1:
Рисунок 8 - Процесс намотки вторичной (высоковольтной) обмотки
Мотаем на каркас необходимое число витков в 2 провода диаметром 1 мм. Запоминаем направление намотки, а лучше отмечаем маркером на каркасе.
Стадия 2:
Рисунок 9 - Изолируем вторичную обмотку
Изолируем вторичную обмотку фторопластовой лентой толщиной 1 мм, такая изоляция выдерживает не менее 1000 В. Так же дополнительно пропитываем лаком, это еще +600В к изоляции. Если нету фторопластовой ленты, то изолируем обычным сантехническим фумом в 4-6 слоев. Это тот же фторопласт, только 150-200 мкм толщиной.
Стадия 3:
Рисунок 10 - Начинаем мотать первичную обмотку, распаиваем провода на каркас
Намотку проводим в одну сторону со вторичной обмоткой!
Стадия 4:
Рисунок 11 - Выводим хвост первичной обмотки
Доматывает обмотку, изолируем ее так же фторопластовой лентой. Желательно еще и пропитать лаком.
Стадия 5:
Рисунок 12 - Пропитываем лаком и распаиваем «хвост». Намотка обмоток окончена
Стадия 6:
Рисунок 13 - Завершаем намотку и изоляцию трансформатора киперной лентой с окончательной пропиткой в лаке
Киперная лента
Киперная лента - хлопчатобумажная (реже шёлковая или полушелковая) тесьма из киперной ткани шириной от 8 до 50 мм, саржевого или диагонального переплетения; суровая, отбельная или гладкокрашеная. Материал ленты отличается высокой плотностью за счет переплетения, он толще, чем у своего ближайшего аналога - миткалевой ленты - из-за использования более толстых нитей.
Спасибо википедии.
Стадия 7:
Рисунок 14 - Так выглядит законченный вариант трансформатора
Зазор 0,15 мм устанавливается в процессе склеивания, путем вкладывания между половинками сердечника подходящей пленки. Лучший вариант - пленка для печати. Сердечник склеивается клеем моментом (хорошим) или эпоксидной смолой. 1-й вариант на века, 2-й позволяет в случае чего разобрать трансформатор без повреждений, например, если понадобится домотать еще обмотку или добавить витков.
Намотка дросселя
Теперь по аналогии необходимо намотать дроссель, конечно мотать на тороидальном сердечнике сложнее, но такой вариант будет компактнее. Все данные у нас имеются из программы, материал сердечника распыленное железо или пермаллой. Индукция насыщения у данного материала 0,55 Тл.
Стадия 1:
Рисунок 15 - Обматываем кольцо фторопластовой лентой
Эта операция позволяет избежать случая с пробоем обмотки на сердечник, это бывает редко, но мы же за качество и делаем для себя!
Стадия 2:
Рисунок 16 - Наматываем нужное количество витков и изолируем
В данном случае количество витков не уместится в один слой намотки, поэтому необходимо после намотки первого слоя произолировать и намотать второй слой с последующей изоляцией.
ИИП
Добавить метки
0 xBХочу предложить Вам упрощенный расчет импульсного трансформатора. Каждый, кто сталкивался с проблемой изготовления трансформаторов такого типа возникала трудность с самими расчетами. Привожу формулы для расчета трансформаторов такого типа, которыми пользуюсь большое количество времени.
Кольцевого Ш-образного
Обозначение: K D xd xh Ш I
Площадь сечения магнитопровода:
Площадь сечения окна магнитопровода:
Определим коэффициент заполнения γ
.Где: t и, T – длительность и период импульса.
Для однотактных схем: γ = 0..0,5; γ max = 0,5;
для двухтактных схем
: γ = 0..0,4; γ max = 0,45.
где:
, - минимальное и максимальное напряжение на первичной обмотке.
Определим падение напряжения на ключевом транзисторе U кл
.Где 
Сопротивление открытого канала полевого транзистора;
Напряжение насыщения биполярного транзистора;
Падение напряжения на выпрямительном прямосмещенном диоде в выходной цепи (для диодов Шоттки = 0,5..0,6 V). Для моста берется значение 2
Определим напряжение на первичной обмотке ИТ по формуле:
Определим коэффициент трансформации k и ток первичной обмотки трансформатора I
1:
Выберем магнитопровод по габаритной и нагрузочной мощности с учетом КПД.
габ = P н ; P габ = 2S с S 0 fBjσ;
f – минимальная рабочая частота;
j = 5 · 10 6 А/м 2 максимальная плотность тока в проводе;
B – магнитная индукция в магнитопроводе;
ффициент полезного действия ИТ;Однотактный режим 
Двухтактный режим
B = 0,2 Тл (выбрано с запасом);
η = 0,93..0,95.
Выбираем магнитопровод по S с
S 0 из справочника.Рассчитаем обмотки ИТ.
Диаметр провода определим из условия: 
(мм).
Вычислим величину немагнитного зазора g (
для однотактных схем).Требуемая индуктивность первичной обмотки:
величина немагнитного зазора будет:
(мм); S с = [см
2 ]; μ
0 = 4π∙10
-8 = 1,256637∙10 -7 .
Для Ш-образного магнитопровода между половинками устанавливается диэлектрическая прокладка, толщиной не более
g/2 . Если она получается очень тонкая, то необходимо увеличить количество витков ω 1 и сделать пересчет.В заключении, вычисляется коэффициент заполнения окна проводом и если он более
0,5 , то необходимо выбрать другой магнитопровод, следующий из габаритного ряда. Если он сильно отличается от первоначально заданного, то необходимо проверить выполнение условия для S с S 0 (см. п.5).Справочные данные.
S 0 = 0,2827 см 2 ;
S с =0,05 см 2 .
к 20 х 12 х 6
S 0 = 1,1308 см 2 ;
S с = 0,24 см 2 .
к 28 х 16 х 9
S 0 =2,0102 см 2 ;
S с = 0,54 см 2 .
к 32 х 20 х 10
S 0 = 3,1416 см 2 ;
S с = 0,6 см 2 .
Ш 6 х 6 М2000НМ
S 0 = 0,825 см 2 ;
S с = 0,36 см 2 ;
B m = 0,38 Тл;
L ср = 2,9 см.
S 0 S с = 0,297 см 4 .
Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) – важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.
Конструкция (виды) импульсных трансформаторов
В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:
- стержневом;
- броневом;
- тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник);
- бронестержневом;
На рисунках обозначены:
- A – магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
- В – катушка из изолирующего материала
- С – провода, создающие индуктивную связь.
Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.
Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.
Принцип работы
Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.
Схема: подключение импульсного трансформатора
Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.
На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е (t) , временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала t u , после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t u).
Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ p =L 0 /R н
Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В max – В r
- В max – уровень максимального значения индукции;
- В r –остаточный.
Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.
Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U 2 , в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i u).
Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.
Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t u остается неизменным, его значение е t =U m . Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:
при этом:
- Ψ – параметр потокосцепления;
- S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.
Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:
в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром t u , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.
Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на t u . В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:
U m x t u =S x W 1 x ∆В
Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.
Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:
Здесь:
- L 0 – перепад индукции;
- µ а – магнитная проницаемость сердечника;
- W 1 – число витков первичной обмотки;
- S – площадь сечения сердечника;
- l cр – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
- В r – величина остаточной индукции;
- В max – уровень максимального значения индукции.
- H m – Напряженность магнитного поля (максимальная).
Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µ а, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра В r , отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.
Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора
Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.
Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.
Расчет импульсного трансформатора
Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ. Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.
В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Р н.
Значение Р н отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Р гб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:
Необходимые для вычисления параметры:
- S c – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
- S 0 – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);
- В макс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
- f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.
Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:
Величина U I определяется выражением:
U I =U/2-U э (U – питающее преобразователь напряжение; U э – уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).
Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:
Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.
Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:
Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.
