Импульсный трансформатор принцип работы

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор – трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе. Рассмотрим особенности конструктивного устройства этой техники, область применения, выпускаемые разновидности и другие характеристики, связанные с данным оборудованием.

Конструкция и принцип работы
Область применения
Разновидности
Стоимость трансформатора
Преимущества и недостатки
Порядок проверки исправности
Процедура намотки

Конструкция и принцип работы

Импульсный трансформатор, по аналогии с другими идентичными устройствами, состоит из следующих элементов:

первичной и вторичной обмоток;
сердечника.

При подаче на входную катушку однополярных импульсов “е(t)” временной интервал между которыми довольно короткий, он вызывает возрастание индуктивности во время интервала t и , после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t и). Благодаря разнице в количестве витков на катушках входа и выхода и импульсному характеру подачи тока, получается добиться высокого коэффициента трансформации с сокращением габаритных размеров устройства.

Одновременно решаются задачи измерения уровня и полярности токового импульса или характеристик по напряжению, согласования значения сопротивления аппарата, создающего сигналы, с потребляющим оборудованием, создание схем обратной связи и пр.,

Подключение импульсного трансформатора

Область применения

По большей части указанные трансформаторы применяются в импульсных устройствах:

газовых лазерах;
триодных генераторах;
дифференцирующих модулях;
магнетотронах и др.

Виды трансформаторов

Эти приборы используются в современном радиоэлектронном оборудовании, для источников питания импульсного типа, телевизорах, компьютерах и другой технике.

Ещё одна область использования устройств – в качестве защитных элементов при коротком замыкании в условиях холостого хода, чрезмерной нагрузке или избыточном нагреве.

Разновидности

В зависимости от конструктивных особенностей различают следующие разновидности импульсных трансформаторов:

стержневые;
броневые;
тороидальные, с намоткой провода на изолированный сердечник, не предполагающие применения катушек;
бронестержневые.

Виды магнитопроводов

Поперечное сечение сердечника в большинстве устройств выполняется в форме круга или прямоугольника, по аналогии с силовыми аппаратами.

Основные характеристики устройств нанесены на корпус, поэтому из условного обозначения можно почерпнуть информацию об главных параметрах оборудования.

Стоимость трансформатора

Цена на единицу продукции может колебаться от 50 до 700 рублей и выше, в зависимости от характеристик устройства. При покупке учитывается производитель изделия и размер приобретаемой партии. Наиболее дешево обойдётся продукция китайского производства, массово представленная на рынке.

Импульсные трансформаторы – устройства, без которых невозможно представить современную бытовую технику и промышленное производство. Эти аппараты обладают рядом преимуществ, по сравнению с аналогичным оборудованием, но в некоторых случаях сопутствующие недостатки не позволяют их использовать.

Преимущества и недостатки

Использование импульсных трансформаторов объясняется следующими преимуществами:

высокими показателями выходной мощности;
небольшой массой и габаритными размерами;
высокой эффективностью, благодаря снижению энергетических потерь;
меньшей ценой при сопоставимых характеристиках;
высокой надёжностью по причине наличия схем защиты.

Разобранный импульсный трансформатор

Малая масса достигается посредством возрастания частоты импульса. Это приводит к уменьшению объёма конденсаторов и простоте схемы выпрямления.

Возрастание коэффициента полезного действия обеспечивается, благодаря сокращению энергетических потерь.

Уменьшение габаритов связано со снижением количества использованных материалов. Это основная причина удешевления данной продукции. Ещё одно достоинство малых размеров – возможность применения устройства в малогабаритных электротехнических изделиях.

Недостатки связаны со сложностью в ремонте по причине отсутствия в схеме гальванической развязки наличии помех высокой частоты, в связи с особенностями конструкции и принципа действия устройства.

Чтобы предупредить влияние высокочастотных помех, нередко приходится прибегать к использованию специальных защитных средств, если применяется оборудование, для которого такие факторы нежелательны. В некоторых случаях, в связи с помехами, применение импульсных трансформаторов оказывается невозможным.

Порядок проверки исправности

Для проверки исправности импульсного трансформатора используется аналоговый или цифровой мультиметр. Цифровое устройство обладает преимуществами, благодаря удобству применения. Его не нужно дополнительно подстраивать, достаточно убедиться в наличии питания и целостности проводов подключения.

Аналоговый мультиметр настраивается следующим образом:

выбирается режим эксплуатации переключением в область минимальной величины сопротивления при измерении;
провода вставляются в контакты прибора и соприкасаются друг с другом;
специальной подстройкой стрелка выставляется на ноль;

Если совместить стрелку с нулём не получается, это говорит о проблемах с элементами питания, нуждающимися в замене.

Если трансформатор является составной частью некоторого аппарата, желательно отделить этот элемент от остальной конструкции, чтобы исключить воздействие сопутствующих помех при диагностике.

Проверка с помощью осцилографа:

Неисправность прибора может объясняться следующими проблемами:

повреждённым сердечником;
подгоревшими соединениями;
нарушением изоляции проводов, вызывающим короткое замыкание обмотки;
разрывом провода.

Кроме инструментальных измерений, необходимо обращать внимание на внешний вид аппарата. О неисправности может свидетельствовать подгоревшая обмотка, следы гари и соответствующий запах.

Процедура намотки

Если провод входной или выходной катушки не пригоден для дальнейшей эксплуатации, трансформатор можно перемотать. Для этого подбирается провод с двойной или тройной изоляцией, который необходимо намотать на сердечник.

Операция выполняется в следующем порядке:

наматывается провод первичной катушки, после предварительного припаивания входного контакта. Витки наматываются равномерно и плотно;
выходной конец провода припаивается в положенном месте;
наносится изоляция в несколько слоёв;
наматывается вторичная обмотка, с припаиванием входного и выходного концов.

Чтобы устройство работало нормально, провод наматывается равномерно, исключив узлы и перекручивания. Количество витков устанавливают, исходя из проведённого расчёта по характеристикам устройства.

Что такое импульсный трансформатор и как его рассчитать?

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.

1 Область применения
- 1.1 Видео: Как работает импульсный трансформатор?
2 Требования к приборам
3 Принцип работы
4 Разновидности
5 Преимущества
6 Разновидности материалов
7 Расчет
- 7.1 Интересное видео: Импульсный трансформатор своими руками

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:

Малый вес.
Низкая цена.
Повышенный уровень КПД.
Расширенный диапазон напряжения.
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:

Электротехническая сталь.
Пермаллой.
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.

Импульсный трансформатор принцип работы

Помогите понять принцип работы импульсных блоков питания.
Вопросы:

1. Чем больше мощность ИИП, тем больше размеры магнитопровода, это очевидно, но можно ли построить слабый ИИП на здоровом магнитопроводе? Смысла в этом нет, но все-таки, есть ограничение сверху: нужно передавать бОльшую мощность, бери магнитопровод побольше, нужно мало мощности, обязательно брать магнитопровод поменьше?

2. Какой общий принцип выбора количества витков? Нашел ответ
Закон Фарадея: говорит что напряжение на обмотке пропорционально количеству витков.

3. Схема китайского зарядного от мобилы. Что делает дополнительная «первичная» обмотка? У меня есть подозрение, что вот для чего: когда магнитопровод трансформатора намагничивается до отказа, падение напряжения на нем снижается на много вольт, в результате чего ток через транзистор VT1 значительно увеличивается и может его спалить. Я думаю, что эта обмотка предназначена для того, чтобы отследить момент насыщения и закрыть транзистор.

4. Какова скважность импульсов, подаваемых на первичную обмотку? Или это непостоянная величина?

5. Когда какой трансформатор лучше применять: прямоходовый, обратноходовый, и, вроде есть еще двунаправленный(?) ?

Буду очень благодарен, если проясните эти детали. Я не смог найти в интернете нормальной статьи по ИИП для в меру образованных людей: или суперзаумные рецепты, в которых трехэтажные формулы и графики, которых, похоже, даже автор не понимает, или «для дурачков»: намотайте 10 витков, потом еще 30 и еще 12, должно работать.

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

Это справедливо для всех типов преобразователей или только для обратноходовых?
Я не улавливаю причино-следственную связь, зазор как-то помогает избежать насыщения сердечника?

Чем отличаются прямоходовые от обратноходовых? В смысле, какие преимущества у одних и других? На первый взгляд не вижу никакой разницы.

Двухтактные, надо понимать, это прямоходовые и обратноходовые в одном флаконе?

Схему, кажется, понял. Включаем в сеть, начинает заряжаться С4, зарядившись, открывается транзистор (кстати, зачем ему 1 Ом в эмиттере?), через первичку начинает течь ток, начался импульс. Во вспомогательной обмотке возникает разность потенциалов: плюсик внизу, минус вверху. Благодаря чему начинает заряжаться С3. В какой-то момент напряжение на стабилитроне превышает допустимое и он открывается, сжирая ток, который предназначался для базы транзистора, транз закрывается. Тысяча чертей! Как это можно рассчитать было?!

Что должно произойти, чтобы выгорел транзистор?

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

_________________
Спасение утопающих дело рук самих утопающих.

Продуктовая линейка компании KLS на складе Компэл пополнилась модульными соединителями типа RJ. Ассортимент представлен неэкранированными соединителями RJ11, RJ12 и RJ45 для построения базовых информационных сетей, а также экранированными RJ45 с трансформатором для реализации систем передачи данных межу узлами ЛВС.

Защита от статического электричества необходима каждому современному устройству. Компания STMicroelectronics представляет решения, соответствующие стандарту IEC61000-4-2, а также специальное приложение PROTECTION FINDER, которое поможет легкого и эффективно подобрать необходимые компоненты. Рассмотрим практические примеры защиты от ESD, отраслевые стандарты и ряд ключевых параметров важных при проектировании электростатической защиты устройств.

Двухтактные, надо понимать, это прямоходовые и обратноходовые в одном флаконе?

Что должно произойти, чтобы выгорел транзистор?

Для чего служит импульсный трансформатор, типы и конструктивные особенности

Кратковременный импульсный режим работы некоторых электрических устройств служит для обеспечения генерирования больших величин мощности, а ее использование в течение короткого промежутка времени называется импульсным режимом.

Мощные импульсные трансформаторы ТПИ , применяемые для импульсных питающих источников служат для подачи электроэнергии во вторичные цепи. Они выполняют функцию согласующего элемента между генератором первичной сети и потребителем импульсного напряжения. ИТ изменяет уровень и полярность формируемого импульса.

Они служат для создания обратной связи в контурах импульсного устройства, применяются для изменения импульса и формирования его в прямоугольную форму, обладающую величиной напряжения с постоянным периодом действия и наиболее крутым фронтом, что соответствует более широкой сфере применения.

Распределение электрических цепей в зависимости от постоянного и переменного значения тока.

Сфера применения импульсных трансформаторов

Основное предназначение ИТ – работа в импульсных устройствах – это: генераторы на триодах, магнетроны, газовые лазеры и прочая устройства. ИТ также используются в качестве дифференцирующих трансформаторов.

Сфера применения ИТ – это практически вся радиоэлектронная аппаратура, включая телевизоры и компьютерные мониторы, они обязательны для блоков питания импульсного типа. Одна из важных функций – применение для стабилизации выходного напряжения в режиме работы устройств.

Они служат для осуществления защиты от короткого замыкания потребителей в режиме ХХ (холостого хода) и защищают устройство от превышения значения напряжения или при перегреве корпуса прибора.

Основные требования

Функциональность – определение значений всех электрических параметров (мощность, напряжение и вид импульса)
Эксплуатационные требования – надежность и высокая перегрузочная способность, стойкость к механическим повреждениям и климатическому состоянию, повышенная электрическая прочность.
Технико-экономические требования – малые габариты и небольшие потери, трудозатраты при изготовлении зависят от свойств, предъявляемых к сфере использования.

Общие конструктивные схемы и типы импульсных трансформаторов

Различие конструктивных форм продиктовано широким диапазоном использования, зависит от мощности, напряжения и вида форм протяженности импульса, предназначения и эксплуатационных требований.

Основные типы обмоток и импульсных трансформаторов – это:

Стержневой ИТ.
Броневой.
Бронестержневой.
Тороидальный.

Основной тип форм поперечного сечения – круговая или прямоугольная, аналогичная силовым трансформаторам.

Обозначения в схемах:

l – длина магнитной линии средней величины;

l_1, l₂– внутренняя и наружная протяженность (длина) короткой и длинной линии;

h– длины обмоток, цифровой индекс обозначает катушку,

h₀ – ширина окна для стержневых и броневых схем и длина ярма для тороидальных МС.

Δ – толщина катушки, с цифровым индексом – толщина изоляционного материала между двумя обмотками.

a, b, c – стороны сечения прямоугольного МС и диаметр круглого МС;

S и S₁–геометрическая и рабочая площадь сечений МС;

k_a – коэффициент наполнения сечения электротехнической листовой или ленточной сталью;

w – витки обмотки;

λ – коэффициент использования протяженности МС.

Рис. №1. Конструктивная схема стержневого импульсного трансформатора.

Главная особенность импульсного трансформатора– небольшое количество витков в обмотках. Самыми экономичными считаются тороидальные ИТ, а менее всего – бронестержневые ИТ

Рис. №2. Схема обмотки броневого ИТ.

Рис. №3. Схема обмотки бронестержневого ИТ.

Рис. №4. Конструктивная схема ИТв виде торроида.

Рис. №5. Прямоугольное сечение ИТ поперечного плана.

Рис. №6. Поперечное сечение ИТ кругового типа.

Характерная особенность конструкции импульсного трансформатора

Основное свойство цилиндрической обмотки – невысокая индуктивность рассеяния. Обмотки отличаются простотой конструкции и прекрасной технологичностью. Они могут иметь различное число и расположение слоев и секций, отличаются схемами соединений. В конструкции используется трансформаторное и автотрансформаторное подключение обмоток.

Схема автотрансформаторного подключения используется в случаях, когда нужно снизить индуктивность рассеяния ИТ. Конструкция обмоток может состоять из нескольких слоев, они могут быть однос, и находиться на одном или на двух стержнях МС. Более часты в использовании однослойные обмотки, они простые в плане конструктивного устройства, отличаются большей надежностью. Индуктивность рассеяния достигается за счет наиболее полного использования длины МС обмотки, их располагают на 2-х стержнях.

Какие бывают обмотки

Спиральные обмотки – соответствуют ИТ с минимальной индуктивностью рассеяния, рекомендованы к применению при автотрансформаторном включении. Их намотка осуществляется широкой и тонкой фольгой или токопроводящей лентой.
Конические обмотки – служат для значительного уменьшения индуктивного рассеяния ИТ с малым увеличением емкости обмоток. Особенность – толщина изоляционного слоя между двумя обмотками, она пропорциональна напряжению между отдельными витками «первички» и «вторички». Толщина увеличивается от начала обмоток к концу в соответствии с линейным законом.
Цилиндрические обмотки – обладают невысокой индуктивностью рассеяния, отличаются простой конструкцией и технологичностью.

Что такое потери энергии импульсного трансформатора?

Уменьшение энергетических потерь и создание эффективного КПД – важный вопрос, который стоит при проектировании ИТ. Общие потери суммируются из:

потерь на гистерезис;
вихревых токов;
потерь, связанных с несовершенством изоляции между листами;
магнитной вязкости.

Помимо упрощенного расчета и завышения значений существенных потерь, что компенсирует отказ от обоснования потерь и вносит грубые просчеты в расчет, применяют высоколегированные стали и перллои. Благодаря этому, с целью снизить потери, формы петли статического гистеризаса стараются приблизить к прямоугольной форме. Подобные материалы служат для достижения больших индукционных величин.

Вихревые токи разделяют искусственно и с помощью предусмотренных в конструкции магнитной системы (МС) участков с большой, или даже максимально увеличенной магнитной проницаемостью. Таким образом0 получается более-менее удовлетворительное стабильное значение вихревого тока в стальных листах МС.

Материалы для изготовления импульсного трансформатора

Тип магнитного материала оказывает влияние на качественные показатели и на особенности импульсного режима. Оценка материала осуществляется по величинам и показателям и включает следующие качественные показатели:

индукции насыщения;
коэрцитивная сила;
удельное сопротивление материалов устройства;
возможность использования наиболее тонких лент или листов стали.

Электротехническая сталь желательная для создания ИТ включает марки: 3405 – 3408 и 3421 – 3425. Сталь 3425 отличается самым высоким показателем индукции насыщения и малой величиной коэрцитивной силы, самый большой показатель прямоугольности петли гистерезисного цикла. Используется наиболее часто.

Пермаллой (прецизионный сплав), который обладает магнито-мягкими показателями, обычно состоит из никеля и железа, как правило, обработан легирующими компонентами.

Ферриты – еще один материал, который востребован для ИТ с небольшой длительностью трансформированных импульсов, эти МС обладают необыкновенно высоким удельным сопротивлением и полным отсутствием потерь на вихревые токи. Они используются для ИТ с диапазоном импульсов, размер которых определяется в наносекундном диапазоне времени.

Что такое критерий осуществимости импульсного трансформатора

Создание ИТ зависит от искажения изменяемого трансформатором импульса и параметров цепи трансформатора и самого ИТ. Уменьшение удлинения импульсного фронта пропорционально делает большое снижение величины напряжения на вершине импульса и в обратном порядке.

Нелинейные показатели сопротивления способствуют снижению искажений импульса по фронту и по величине, что крайне нежелательно. Искажения необходимо свети к минимуму, происходит это за счет снижения величины коэффициента рассеяния, решение подобного вопроса в выборе соответствующего ИТ с наименьшим коэффициентом рассеяния. Критерий осуществимости выводится при определении параметров цепи трансформатора. Желательно обладание трансформаторной цепью индуктивной реакцией.

Коррекция искажений формы импульса

Не всегда представляется возможным выбрать ИТ, чтобы искажение формы импульса не превышали пределов допустимых. В этом случае для коррекции формы импульса вводят корректирующие двухполюсники или демпфирующие фильтры, состоящие из низкоомных резисторов. Таким способом устраняется выброс напряжения по фронту. В этих целях возможно использование подавляющего диода, его полярность выбирается в соответствии с полярностью напряжению выброса на срезе импульса.

Импульсный трансформатор считается самым важным элементом электронной схемы и несет наибольшую ответственность за ее бесперебойную работу. Он отличается высочайшей надежностью и практически никогда не выходит из строя. Расчет трансформатора индивидуален для всех схем. Вторичная обмотка его обязательно должна быть замкнута на потребительскую нагрузку, ее разомкнутое состояние относится к опасному режиму. Действующие параметры и каскад напряжения находятся в полной зависимости от сборки трансформатора, что влияет на качество схемы радиоэлектронного устройства.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии? Часть 1

Александр Русу, Одесса

Схем импульсных преобразователей электрической энергии очень много. Понижающая, повышающая, инвертирующая, прямоходовая, обратноходовая, с выводом средней точки трансформатора (Push-Pull), полумостовая, мостовая и даже «косомостовая» (двухтранзисторная) – в них можно легко потеряться и «утонуть» даже опытному специалисту, не говоря уже о новичках. При этом все они решают одну и ту же задачу – преобразование напряжения одной величины в одно или несколько напряжений другого уровня. Кроме этого, иногда они еще обеспечивают и гальваническую развязку – электрическую изоляцию входных цепей от выходных. Но зачем так много схем? Неужели нельзя придумать одно универсальное решение, которое можно было бы использовать в любых ситуациях?

К сожалению, нельзя. Хотя бы потому, что кроме коэффициента передачи по напряжению и существования гальванической развязки, импульсный преобразователь имеет еще несколько параметров, основными из которых являются габариты, масса, КПД и стоимость. И тут уже на первый план выходит конкретная задача, которая стоит перед разработчиком. В одних случаях преобразователь должен быть компактным и легким, в других – дешевым, а в третьих – иметь максимальный КПД.

Области применения и принципы работы всех без исключения популярных схем преобразователей очень хорошо описаны в технической литературе. Но вот почему эти схемы имеют именно такой вид? Есть ли для разработчика «возможности маневра» – нестандартной модификации схемы для еще лучшего решения поставленной задачи? Для ответов на эти вопросы необходимо досконально разбираться в сложной взаимосвязи технических характеристик и энергетических процессов, происходящих при импульсном преобразовании электрической энергии, а это, к сожалению, не так просто.

Рассмотрим, например, компьютерный блок питания АТХ (Рисунок 1). В нем переменное напряжение сети преобразуется входным выпрямителем в постоянное величиной около 300 В. Потом из него двумя импульсными DC-DC преобразователями формируются постоянные напряжения необходимых уровней, основными из которых являются +5 В и +12 В. (Предвидя возможную критику, сразу обращаю внимание читателей, что эта статья не о компьютерных блоках питания, поэтому структурная схема очень упрощена).


Рисунок 1.	*Очень упрощенная структурная схема блока питания ATX.*

Почему используются два преобразователя – понятно интуитивно: преобразователь дежурного режима питает схемы компьютера, которые должны работать круглосуточно, например, сетевую плату с возможностью дистанционного управления, а основной преобразователь – только тогда, когда это необходимо. Но почему преобразователь дежурного режима построен по простой обратноходовой схеме, а основной – по более сложной, например, полумостовой? Обе схемы преобразуют входное постоянное напряжение 300 В в 5 В и 12 В (и другие необходимые напряжения) и теоретически могут обеспечить любое количество электрически изолированных выходных каналов с любыми уровнями напряжений. Но полумостовая схема намного сложнее обратноходовой. Она содержит больше индуктивных и полупроводниковых элементов, имеет более сложную схему управления и теоретически должна быть более дорогой и менее надежной. Почему же тогда основной преобразователь в компьютерном блоке питания сделан по полумостовой, а не по обратноходовой схеме?

Ответ на этот вопрос и будет получен в этой статье, которая является первой частью своеобразного итога цикла, уже опубликованных в журнале РадиоЛоцман материалов [1 – 6]. При необходимости читатель в любой момент может с ними ознакомиться, а для желающих более основательно разобраться в сути вопроса предлагаются более «тяжелые» статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах [7, 8].

Чем отличается дроссель от трансформатора?

Я уверен, специалистам уже известно, что схема силовой части преобразователя выбирается на основе его мощности. В приведенном примере (Рисунок 1) мощность обратноходового преобразователя дежурного режима равна приблизительно 5 Вт, а вот мощность основного начинается от 200 Вт и может превышать 1 кВт для «серьезных» системных блоков. Но ведь обратноходовая схема не имеет теоретического ограничения на уровень максимальной мощности. Почему же тогда очень сложно найти обратноходовой преобразователь мощностью более 200 Вт? Давайте разбираться.

Для того чтобы изменить параметры электрической энергии, например, величину напряжения, необходимо преобразовать эту энергию в какой-нибудь другой вид, а затем снова превратить в электричество. С наименьшими потерями это можно реализовать, передав электрическую энергию через магнитное поле, и на сегодняшний день существует всего два прибора, которые позволяют это сделать наиболее просто и эффективно: дроссель и трансформатор. Эти приборы практически идентичны по своей конструкции и отличаются только режимами работы. Трансформатор пропускает энергию «сквозь себя», не накапливая ее в магнитном поле, а дроссель работает по принципу «взял-сохранил-отдал» [1]. Поэтому у трансформатора токи обмоток, связанные с первичными и вторичными цепями, протекают одновременно, а у дросселя – в разные интервалы времени.

Это приводит к тому, что трансформатор преобразует энергию непрерывно, а дроссель – порциями. Поскольку энергия, преобразуемая дросселем, должна накапливаться в магнитопроводе, его объем V должен удовлетворять условию [1]

(1)

S_С и L_СР – соответственно, площадь поперечного сечения и средняя длина магнитной линии магнитопровода;
μ₀ ≈ 1.257∙10 –6 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;
μ_ЭКВ – эквивалентная магнитная проницаемость магнитопровода, учитывающая все особенности его конструкции, в том числе и наличие немагнитных зазоров;
B_MAX – максимальная индукция в магнитопроводе;
Р – преобразуемая мощность (чем она отличается от мощности преобразователя описано в [1]);
f – частота преобразования.

Однако кроме магнитопровода дроссель и трансформатор содержат еще и обмотки, которые необходимо разместить в окне площадью S_О. В [6] было показано, что площадь, занимаемая обмоткой в окне, прямо пропорционально количеству витков, которое, в свою очередь, зависит от площади поперечного сечения магнитопровода S_C. Площади окна и поперечного сечения настолько взаимосвязаны, что и для индуктивных элементов существуют специальные формулы, позволяющие приблизительно оценить необходимо значение произведения S_СS_О в зависимости от конкретной задачи. Для дросселя такая формула была получена в [6]:

(2)

к_С, к_О – соответственно, коэффициенты заполнения магнитопровода и окна активным материалом;
J – плотность тока в обмотках;
ΔВ – размах магнитной индукции;
к_{1_MAX}, к_{2_MAX} – соответственно, относительные максимальные длительности первого и второго этапов преобразования [6].

Получим аналогичную формулу для трансформаторов. Для упрощения представим, что трансформатор работает с напряжениями прямоугольной формы (Рисунок 2).


Рисунок 2.	*Режим работы трансформатора.*

В окне трансформатора должны разместиться как минимум две обмотки с количеством витков, соответственно, N₁ и N₂. Необходимую площадь сечения окна можно определить по формуле

(3)

где I₁, I₂, J₁, J₂ – соответственно, действующие значения и плотности токов первичной и вторичной обмоток.

Поскольку у трансформатора токи первичной и вторичной обмоток протекают одновременно, то, согласно закону полного тока, их намагничивающие силы должны компенсировать друг друга (более подробно об этом рассказано в [4]). Считая, что ток намагничивания пренебрежимо мал по сравнению с токами, создаваемыми нагрузками, можно записать N₁I₁ = N₂I₂. Поэтому при одинаковых плотностях тока в обмотках (J₁ = J₂ = J) формула (3) пример вид

(4)

Из формулы (4) видно, что, также как и для дросселей, для трансформаторов площадь, занимаемая обмоткой в окне зависит от количества витков, зависящего, в свою очередь, от площади поперечного сечения магнитопровода S_С [6]:

(5)

где U₁ – среднее значение напряжения u_1(t), приложенного к первичной обмотке в течение времени Δt и приводящее к изменению магнитной индукции на величину ΔB (Рисунок 2).

Подставив (5) в (4) получим формулу, с помощью которой можно определить минимально необходимое значение произведения S_СS_О для трансформатора:

(6)

При прямоугольной форме напряжений и токов (Рисунок 2) и отсутствии потерь произведение U₁I₁ можно считать приблизительно равным преобразуемой трансформатором мощности (P ≈ U₁I₁). Кроме того, время Δt, за которое магнитная индукция успевает измениться на величину ΔB, равно половине периода входного напряжения (Δt = 0.5T = 0.5/f, где f – частота работы трансформатора). Таким образом, для трансформатора, с учетом неполного заполнения магнитопровода и окна, соответственно, магнитным и проводящим материалами, минимальное значение произведения S_СS_О должно удовлетворять условию:

(7)

Сравнивая формулы (2) и (7) видим, что при одних и тех же условиях (равенстве коэффициентов заполнения сердечника к_С и окна к_О, плотности тока J, размахе магнитной индукции ΔB, рабочей частоте f и преобразуемой мощности P) для дросселя требуется магнитопровод в два раза больший, чем для трансформатора. (Скобки в формуле (2), учитывающие форму токов обмоток при работе преобразователя в граничном режиме, в лучшем случае дадут уменьшение S_СS_О всего на 5…10%).