Как рассчитать трансформатор для блока питания
Перейти к содержимому

Как рассчитать трансформатор для блока питания

  • автор:

Расчет блока питания

Подавляющее большинство радиолюбительских конструкций получает питание от электросети через блок питания. Он обычно содержит сетевой трансформатор, диодный выпрямитель и оксидный сглаживающий конденсатор большой емкости. К вспомогательным, но нужным устройствам относятся выключатель, предохранитель и индикатор включения — миниатюрная лампа накаливания, с номинальным напряжением, несколько большим напряжения вторичной обмотки трансформатора (лампы, горящие с недокалом, гораздо дольше служат).

Стабилизатор напряжения, если он имеется, включается между выходом выпрямителя и нагрузкой. Напряжение на его выходе, как правило, меньше Uвых, и на стабилизаторе тратится заметная мощность.

Расчет трансформатора

Силовой трансформатор обычно состоит из двух или более обмоток, намотанных на общем железном сердечнике. Одна обмотка — сетевая (первичная), на неё подается переменное напряжение из сетевой розетки. Это напряжение переменное, поэтому, магнитное поле, создаваемое этой обмоткой в сердечнике все время меняется и пронизывает витки вторичной обмотки (или вторичных обмоток, если их несколько).

Номинальная мощность (Р) — сумма мощностей вторичных обмоток трансформатора, в которой мощность каждой обмотки определяется как произведения номинального выходного тока обмотки на номинальное напряжение. Например, номинальный выходной ток 2А, а, при таком токе, номинальное напряжение на концах обмотки 10 V. Таким образом, номинальная мощность будет 2А* 10V = 20W.

Коэффициент трансформации (N) — соотношение входного напряжения и выходного, численно равное соотношению числа витков первичной (сетевой) обмотки к числу витков вторичной. Например, есть трансформатор, у которого на первичную обмотку подается 220V, при этом на вторичной будет 11 V. Коэффициент трансформации будет равен отношению 220 /11 = 20.

И так, допустим нужен трансформатор, на первичную обмотку которого подается переменное напряжение 220V, при этом на вторичной обмотке должно быть напряжение 11V, а номинальный ток на выходе должен быть 1 А. Значит, мощность на нагрузке вторичной обмотки будет Р=11V * 1А=11W. Определим коэффициент трансформации : N=220/11=20. Определим мощность трансформатора:

на всякий случай возьмем Ра побольше, — 13W.

Большинство трансформаторов имеют Ш-образные сердечники (рис. 5.1.1.).

Рассчитаем площадь сечения такого сердечника:

Таким образом, площадь сечения Ш-образного сердечника для нашего трансформатора должна быть 4,3 квадратных сантиметра. Далее, нужно рассчитать необходимое число витков (Н) на 1V напряжения:

Итак, на 1 V напряжения требуется 10,5 витков. Теперь определим сколько витков нужно намотать в первичной (сетевой) обмотке : 220V * 10,5 = 2310 витков.

Во вторичной обмотке: 11V * 10,5 = 115,5 витков.

Следующее, что мы должны узнать, — это диаметр провода для намотки обмоток. Ток во вторичной обмотке (I2) мы знаем — 1А, мы его задали в самом начале, Так, что, диаметр провода для вторичной обмотки (D2) берем по формуле:

Таким образом, диаметр провода для вторичной обмотки должен быть около 0,8 мм.

Теперь нужно рассчитать диаметр провода для первичной обмотки, но для этого нужно сначала найти ток I1 через неё. Для этого нужно знать мощность (Ра) и напряжение. Напряжение (U) нам известно — 220V, а мощность мы определили — 13 W.

I1=P/U = 13/220 = 0,059A.

Это дает нам определить диаметр провода для первичной обмотки (D1):

Кроме приведенных формул, диаметр провода можно определить по графику (рис 5.1.2.), исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2..3 А/мм2

В итоге для нашего трансформатора нам нужен Ш-образный сердечник сечением не менее 4,3 см2. Еще нужен намоточный провод, например, ПЭВ, диаметром 0,19-0,2 для сетевой обмотки и 0,76-0,9 для вторичной. [4,7]

8. Блок питания. Расчет трансформатора

Зная необходимое напряжение на вторичной обмотке (U2) и максимальный ток нагрузки (Iн), трансформатор рассчитывают в такой последовательности.

1. Определяют значение тока, текущего через вторичную обмотку трансформатора:

где: I2 — ток через обмотку II трансформатора, А;
Iн — максимальный ток нагрузки, А.

2. Определяют мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

где: P2 — максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки, Вт;
U2 — напряжение на вторичной обмотке, В;
I2 — максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А.

3. Подсчитывают мощность трансформатора:

где: Pтр — мощность трансформатора, Вт;
P2 — максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт.

Если трансформатор должен иметь несколько вторичных обмоток, то сначала подсчитывают их суммарную мощность, а затем мощность самого трансформатора.

4. Определяют значение тока, текущего в первичной обмотке:

где: I1 — ток через обмотку I, А;
Ртр — подсчитанная мощность трансформатора, Вт;
U1 — напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).

5. Рассчитывают необходимую площадь сечения сердечника магнитопровода:

где: S — сечение сердечника магнитопровода, см2;
Ртр — мощность трансформатора, Вт.

6. Определяют число витков первичной (сетевой) обмотки:

где: w1 — число витков обмотки;
U1 — напряжение на первичной обмотке, В;
S — сечение сердечника магнитопровода, см2.

7. Подсчитывают число витков вторичной обмотки:

где: w2 — число витков вторичной обмотки;
U2 — напряжение на вторичной обмотке, В;
S-сечение сердечника магнитопровода, см2.

8. Определяют диаметры проводов обмоток трансформатора:

d = 0,02 I,

где: d-диаметр провода, мм;
I-ток через обмотку, мА.

Диаметр провода обмотки можно также определить по табл. 2.

Iобм, ma £ 25 25

60
60

100
100

160
160

250
250

400
400

700
700

1000
d, мм 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 0,6

После этого можно приступить к подбору подходящего трансформаторного железа и провода, изготовлению каркаса и, наконец, выполнению обмоток. Но Ш-образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверить, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора, т. е. разместится ли провод на каркасе трансформатора. Для этого достаточно подсчитанную ранее мощность трансформатора умножить на 50 — получится необходимая площадь окна, выраженная в мм 2 . Если в подобранных пластинах она больше или равна вычисленной, железо можно использовать для трансформатора.

При выборе сердечника магнитопровода нужно также учитывать и то обстоятельство, что отношение ширины сердечника к толщине набора (отношение сторон сердечника) должно быть в пределах 1. 2.

В качестве трансформаторов питания радиолюбители часто используют унифицированные выходные трансформаторы кадровой развертки телевизоров (трансформаторы ТВК). Промышленность выпускает несколько видов таких трансформаторов, и каждый из них при работе с выпрямителем, выполненным по мостовой схеме, позволяет получить на нагрузке вполне определенные напряжения в зависимости от потребляемого ею тока. Эти параметры сведены в табл. 3, которая поможет в выборе трансформатора ТВК для того или иного блока питания.

Простой расчет выпрямителя с сетевым трансформатором

Приведено описание упрощенного расчета источника питания на основе сетевого трансформатора и мостового выпрямителя. Простой блок питания состоит из силового трансформатора, выпрямителя и подавляющего пульсации конденсатора.

Схема выпрямителя

Выпрямители бывают разные, но в таких блоках питания чаще всего используются мостовые выпрямители, как в блоке питания, схема которого показана на рисунке 1. Здесь рассматривается упрощенный расчет именно такого блока питания.

Принципиальная схема блока сетевого понижающего выпрямителя

Рис. 1. Принципиальная схема блока сетевого понижающего выпрямителя.

Трансформатор

Самой сложной деталью этой схемы является именно силовой трансформатор. Конечно сейчас можно приобрести готовый трансформатор практически под любые ваши «нужды», но это не всегда возможно.

И зачастую трансформатор приходится делать самостоятельно или, что бывает чаще, перематывать готовый, но неисправный (с горелыми обмотками) либо неподходящий трансформатор под необходимые для конкретного случая параметры.

И так, для изготовления силового трансформатора необходим сердечник с каркасом для обмоток и провод для намотки обмоток. Обычно сердечники встречаются двух типов — «Ш»-образные и тороидальные.

Проще всего наматывать «Ш»-образный, такой как показан на рисунке 2, особенно при большом числе витков, так как его обмотки наматываются на каркас как нитки на катушку, а потом сердечник собирается из отдельных «Ш»-образных пластин «в перекрышку». О нем и будем говорить. Для начала необходимо разобраться с требуемыми параметрами трансформатора.

А именно, — входное переменное напряжение (U), выходное переменное напряжение (Uo), мощность, которую нужно получить на выходе (Р).

Ш-образный сердечник для трансформатора

Рис. 2. Ш-образный сердечник для трансформатора.

Если мы живем в РФ, то входное напряжение U = 220V. Выходное напряжение Uo — такое какое вам нужно. Мощность Р зависит от выходного напряжения и максимально необходимой величины выходного тока (Іо).

Мощность рассчитываем: Р = Uо * Іо (напряжение в V, ток в А, мощность в W).

Таким образом, нам нужны исходные данные, — Uo и Іо. И здесь придется оторваться от расчета трансформатора и начать расчет с выпрямителя, чтобы узнать какие должны быть эти значения. Точный расчет мостового выпрямителя довольно сложен, так как необходимо учитывать множество параметров.

Расчет параметров

Здесь приводится упрощенный расчет, пригодный для радиолюбительской практики.

Сначала определяемся с напряжением. Для вычисления необходимого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Uо (рис.3) нужно знать необходимое напряжение на выходе выпрямителя без нагрузки (Uв). Uo = 0,75Uв.

Под нагрузкой выходное напряжение Uв будет снижаться. Практически выходное напряжение на выходе мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором лежит в пределах от Uo/0,75 при работе без нагрузки до Uo-2Uд при максимальной нагрузке (где Uд — прямое напряжение падения на одном диоде выпрямителя при максимальном токе нагрузки).

Для вычисления максимального тока через обмотку Іо нужно знать максимальный ток нагрузки /в. Іо = 1,41/в

Теперь мы знаем необходимые параметры трансформатора по напряжению и току вторичной обмотки. Этого достаточно для подбора или расчета и изготовления трансформатора. Далее переходим к определению необходимых размеров сердечника.

На рисунке 2 показан обычный «Ш»-образный сердечник. Мощность такого сердечника трансформатора зависит от площади поперечного сечения его центральной части (на которую надевается катушка). Площадь определяется:

при этом все берется в сантиметрах.

Необходимую площадь S для необходимой мощности можно рассчитать так:

расчетная формула

Теперь можно выбрать сердечник, зная какой площади должен быть его средний керн. Найти именно такой как нужно сердечник сложно, поэтому следует руководствоваться принципом, что площадь сечения его среднего керна должна быть не меньше расчетной (конечно, в разумных пределах).

Подобрав сердечник переходим к расчету числа витков на 1V напряжения :

где N — число витков на 1V, a S — площадь в см2 сечения среднего керна того конкретного сердечника, который будете использовать (а не который получился при расчете). На следующем этапе займемся расчетом уже самих обмоток. Число витков первичной (сетевой) обмотки, с учетом того, что в сети номинальное напряжение 220V, рассчитывается так:

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

расчетная формула

где D1 диаметр провода в мм, Р — рассчитанная ранее мощность в W, а 220 — это напряжение в электросети. Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра.

Число витков вторичной (выходной) обмотки рассчитывается так:

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

расчетная формула

Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра. Все. Можно наматывать трансформатор. Конечно, в идеале все обмотки должны быть намотаны плотно виток в витку.

Но для первичной обмотки, число витков которой может измеряться тысячами, это может быть слишком уж утомительно. Поэтому наматываем внавал, но осторожно, аккуратно, и плотно, как будто бы пытаемся намотать виток к витку, но не получается. Нельзя чтобы провода начала и конца первичной обмотки соприкасались или были слишком близко, — может пробить.

Сильно натягивать провод тоже нельзя, — разрушится тоненькая прозрачная изоляция, которой покрыт намоточный провод. По той же причине нельзя провод скребсти при намотке о края катушки или другие предметы, способные повредить изоляцию.

Сначала на каркас наматывают первичную обмотку. Затем её покрывают слоем изоляции, например, бумаги, но лучше — специальной фторопластовой лентой или стеклолакотканью. Потом на эту изоляцию наматывают вторичную обмотку.

Она содержит всего 106 витков и довольно толстого провода. Так что не ленитесь, — мотайте строго виток к витку. После окончания обмотки можно переходить к сборке сердечника.

Сердечники трансформатора обычно бывают в собранном виде с каркасом, так что предварительно их нужно разбирать, равно как и при перемотке неисправного или неподходящего трансформатора. Запомните как он разбирался и сборку делайте в обратном порядке.

Следует учесть, что все сказанное выше имеет отношение только к силовым трансформаторам, работающим на переменном токе частотой 50 Гц. И так, трансформатор есть, продолжаем рассчитывать выпрямитель. Следующий этап — выбор диодов.

Максимально допустимое обратное напряжение диода должно быть не ниже значения Uд = 1,5Uв.

По максимально допустимому прямому току диоды выбирают так, чтобы значение максимального прямого тока было больше величины Ід = 1,2/в. Теперь переходим к расчету емкости сглаживающего конденсатора С. Ниже приводится расчет при условии что частота переменного напряжения на входе выпрямителя равна 50 Гц.

Емкость сглаживающего конденсатора в мкФ С = (300*lв/q)/Uв. Где q — допустимый коэффициент пульсаций, выражающийся в отношении амплитуды пульсаций к величине выходного постоянного напряжения. Обычно для источников питания бытовой аппаратуры берется q = от 0,1 до 0,01.

Максимально допустимое рабочее напряжение конденсатора должно быть не ниже Uв, но его лучше взять с запасом, так не менее 1,5Uв.

Пример расчета

Теперь можно попробовать рассчитать реальный блок питания.

  • U = 220V,
  • Ue = 15V,
  • Ів = 0,5А,
  • q=0,01.

1. Находим необходимые параметры трансформатора:

Uo = 0,75Uв = 0,75*15=11,25V

lo= 1,41*Ів= 1.41 * 0,5 = 0,705А (напряжение вторичной обмотки равно 11,5V, а ток не ниже 0,705А)

2. Р = Uo * Іо = 11,5 * 0,705 = 8,1075W. Возьмем мощность с запасом — 9W

формула расчет площади поперечного сечения трансформатора

4. N = 50/S = 50/3= 16,6667

5. N1 = N * 220 = 16,6667 * 220 = 3666,674 витков, округляем до 3667 витков.

формула

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,13 (0,13 мм).

6. N2 = N * Uo = 16,6667 * 11,5 = 191,667 округляем до 192 витков.

формула

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,54 (0,54 мм).

8. Находим параметры диодов:

Uд — 1,5Uв = 1,5*15 =22,5V

Ід= 1,2 * Iв = 1,2* 0,5 = 0,6А (максимальное обратное напряжение не ниже 22,5V, максимальный прямой ток не ниже 0,6А)

9. Находим параметры конденсатора: C=(300*lв/q)/Uв= (300*0,5/0,01)/15 = 1000 мкФ (не ниже 1000 мкФ)

10. Допустимое напряжение конденсатора не ниже 15V.

Расчёт и изготовление трансформатора для импульсного блока питания

«Как-то лет в 12 нашёл я старый трансформатор, слегка перемотал его и включил.
Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом.
Вот так я и начал изучать силовую электронику».

А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами.
При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один – массогабаритные показатели. Всё остальное – сплошной минус.
Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований.

Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR2153 и IR2155, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.
И если сердце импульсного блока питания колотится внутри готовой буржуйской микросхемы, то главным, ответственным за электрохозяйство среди остальных наружных образований является правильно выполненный трансформатор.

Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД.
Но самое главное – при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов.

По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами. Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику.

И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое.
Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.

Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR2153 с похожими заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов.
А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание «что-то подправить в консерватории». Объясняется это желание просто – существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора.

А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR2153, не обременённую никаким устройством защиты, да и какими-либо другими излишествами – тоже.

Рис.1 Типовая схема импульсного ИП на IR2153

Схема проверена временем и многочисленными опытами изрядно пощипанных током, неустрашимых радиолюбителей, так что не работать в ней – просто нечему.

Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора.

Мотать его будем на народных, т. е. бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя 2000НМ или импортных – EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода.

Концепция выбора габаритной мощности с запасом в 10% от максимальной мощности в нагрузке, заложенная в режимы автоматического подбора сердечника в большинстве калькуляторов, хотя и не противоречит теоретическим расчётам, учитывающим высокий КПД импульсного трансформатора, но всё же наводит на грустную мысль о ненадлежащей надёжности и возможной скорой кончине полученного моточного изделия.
Куда мне ближе трактовка этого параметра, описанная в литературе: Pгаб >1,25×Рн.

Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR2153, равной 50 кГц. Почему именно такой?
Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры.
А не выше, потому что мы пилоты. А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше 60. 70 кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в 3-9 раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину.

Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки.
Результаты сведём в таблицу.

Мощность
ИП, Вт
Размеры кольца, мм ;
(габаритн. мощность, Вт)
Кол-во витков
первичн. обмотки
Индуктивн.
обмотки, мГн
25 R 20×12×6 2000НМ (34 Вт)
R 22,1×13,7×6,35 №87 (52 Вт)
208 (d=0,25мм)
152 (d=0,25мм)
51,9
30,9
50 R 22,1×13,7×12,5 №87 (100 Вт)
R 22,1×13,7×7,9 №87 (64 Вт)
R 27×18×6 2000НМ (85 Вт)
78 (d=0,35мм)
122 (d=0,35мм)
185 (d=0,35мм)
15,9
24,8
32,8
100 R 28×16×9 2000НМ (136 Вт)
R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт)
93 (d=0,5мм)
139 (d=0,5мм)
17,0
19,3
200 R 28×16×18 2000НМ (268 Вт)
R 29,5×19,0×14,9 №87 (297 Вт)
R 30,5×20,0×12,5 №87 (265 Вт)
R 34,0×20,5×10,0 №87 (294 Вт)
R 34,0×20,5×12,5 №87 (371 Вт)
R 38×24×7 2000НМ (278 Вт)
47 (d=0,7мм)
52 (d=0,7мм)
62 (d=0,7мм)
61 (d=0,7мм)
49 (d=0,7мм)
102 (d=0,7мм)
8,7
7,8
8,9
8,3
6,7
13,2
400 R 36,0×23,0×15,0 №87 (552 Вт)
R 38×24×14 2000НМ (565 Вт)
R 40×25×11 2000НМ (500 Вт)
42 (d=1,0мм)
51 (d=1,0мм)
61 (d=1,0мм)
5,2
6,6
7,6
800 R 40×25×22 2000НМ (998 Вт)
R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)
R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт)
31 (d=1,6мм)
37 (d=1,6мм)
25 (d=1,6мм)
3.9
4,1
2,8
1500 R 50,0×30,0×20,0 №87 (1907 Вт)
R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)
21 (d=2×1,5мм)
18 (d=2×1,5мм)
2,0
1,5

Как следует мотать первичную обмотку трансформатора?


Рис.2 а) б) в) г) д)

Если используются кольца 2000НМ отечественного производителя, то для начала – посредством наждачной бумаги скругляем наружные острые грани до состояния, приведённого на Рис.2 а).

Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку (Рис.2 б). В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту.

Для буржуйских колец фирмы EPCOS первые два пункта практической ценности не имеют.

Настало время намотать однослойную обмотку «виток к витку» (Рис.2 в). Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода – это важно!

Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра (Рис.2 г). Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре (или два провода по 0,7мм).

Ну и для полного завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку – пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты (Рис.2 д).

А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения.
Казалось бы, расчёты количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора настолько банальны и очевидны, что, как говаривал товарищ Мамин-Сибиряк – «яйца выеденного не стоят».
Да только вот опять – не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Поэтому для начала приведём формулу зависимости выходного напряжения от соотношения количества витков обмоток:
W1 (Uвх — Uдм1)/2 — Uнас ,
W2 (Uвых+Uдм2)

где: Uвх – значение выпрямленного напряжения сети, равное 1,41×220≈310В,
Uдм1 – падение напряжения на входном диодном мосте ≈ 1В,
Uдм2 – падение напряжения на выходном диодном мосте ≈ 1В,
Uнас – напряжение насыщения на ключевом транзисторе ≈ 1,6В.
Подставив значения, получаем конечную формулу: W2 = W1×(Uвых+1)/153 .
Это формула верна для тех случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу. Если же данный параметр нас интересует при максимальном токе нагрузки, то практика показывает, что количество витков вторичной обмотки следует увеличить на 10%.

Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора. Диаметр этот достаточно просто вычисляется по формуле:
D = 1,13× I / J , где I – ток обмотки, а J – параметр плотности тока, напрямую зависящий от мощности трансформатора и принимающий для кольцевых сердечников значения: ~4,5 для мощностей до 50Вт; ~4 для 50. 150Вт; ~3,25 для 150. 300Вт и ~2,75 для 300. 1000Вт.

И в завершении приведём незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора.

Точно так же, как и в случае с первичной обмоткой – вторичная должна быть как можно более равномерно распределена по периметру магнитопровода.

Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода. При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора.

При необходимости поиметь двуполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий – к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец – к GND-у.

Ну что ж, с трансформатором наконец-то определились, пора озадачиться полным джентльменским набором настоящего мужчины – плавками с меховым гульфиком, а главное, непосредственно импульсным блоком питания, оснащённым такими значимыми прибамбасами, как устройства мягкого пуска и защиты от токовых перегрузок и КЗ. Всё это хозяйство подробно опишем на странице – Ссылка на страницу.

Расчёт и изготовление трансформатора для импульсного блока питания

Онлайн калькулятор обмоток трансформатора на тороидальном (кольцевом) ферритовом сердечнике

«Как-то лет в 12 нашёл я старый трансформатор, слегка перемотал его и включил.
Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом.
Вот так я и начал изучать силовую электронику».

А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами.
При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один – массогабаритные показатели. Всё остальное – сплошной минус.
Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований.

Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR2153 и IR2155, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.
И если сердце импульсного блока питания колотится внутри готовой буржуйской микросхемы, то главным, ответственным за электрохозяйство среди остальных наружных образований является правильно выполненный трансформатор.

Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД.
Но самое главное – при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов.

По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами. Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику.

И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое.
Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.

Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR2153 с похожими заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов.
А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание «что-то подправить в консерватории». Объясняется это желание просто – существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора.

А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR2153, не обременённую устройством защиты, да и какими-либо другими излишествами – тоже.

Рис.1 Типовая схема импульсного ИП на IR2153

Схема проверена временем и многочисленными опытами изрядно пощипанных током, неустрашимых радиолюбителей, так что не работать в ней – просто нечему.

Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора.

Мотать его будем на народных, т. е. бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя 2000НМ или импортных – EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода.

Концепция выбора габаритной мощности с запасом в 10% от максимальной мощности в нагрузке, заложенная в режимы автоматического подбора сердечника в большинстве калькуляторов, хотя и не противоречит теоретическим расчётам, учитывающим высокий КПД импульсного трансформатора, но всё же наводит на грустную мысль о ненадлежащей надёжности и возможной скорой кончине полученного моточного изделия.
Куда мне ближе трактовка этого параметра, описанная в литературе: Pгаб >1,25×Рн.

Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR2153, равной 50 кГц. Почему именно такой?
Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры.
А не выше, потому что мы пилоты. А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше 60. 70 кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в 3-9 раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину.

Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки.
Результаты сведём в таблицу.

Мощность
ИП, Вт
Размеры кольца, мм ;
(габаритн. мощность, Вт)
Кол-во витков
первичн. обмотки
Индуктивн.
обмотки, мГн
25 R 20×12×6 2000НМ (34 Вт)
R 22,1×13,7×6,35 №87 (52 Вт)
208 (d=0,25мм)
152 (d=0,25мм)
51,9
30,9
50 R 22,1×13,7×12,5 №87 (100 Вт)
R 22,1×13,7×7,9 №87 (64 Вт)
R 27×18×6 2000НМ (85 Вт)
78 (d=0,35мм)
122 (d=0,35мм)
185 (d=0,35мм)
15,9
24,8
32,8
100 R 28×16×9 2000НМ (136 Вт)
R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт)
93 (d=0,5мм)
139 (d=0,5мм)
17,0
19,3
200 R 28×16×18 2000НМ (268 Вт)
R 29,5×19,0×14,9 №87 (297 Вт)
R 30,5×20,0×12,5 №87 (265 Вт)
R 34,0×20,5×10,0 №87 (294 Вт)
R 34,0×20,5×12,5 №87 (371 Вт)
R 38×24×7 2000НМ (278 Вт)
47 (d=0,7мм)
52 (d=0,7мм)
62 (d=0,7мм)
61 (d=0,7мм)
49 (d=0,7мм)
102 (d=0,7мм)
8,7
7,8
8,9
8,3
6,7
13,2
400 R 36,0×23,0×15,0 №87 (552 Вт)
R 38×24×14 2000НМ (565 Вт)
R 40×25×11 2000НМ (500 Вт)
42 (d=1,0мм)
51 (d=1,0мм)
61 (d=1,0мм)
5,2
6,6
7,6
800 R 40×25×22 2000НМ (998 Вт)
R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)
R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт)
31 (d=1,6мм)
37 (d=1,6мм)
25 (d=1,6мм)
3.9
4,1
2,8
1500 R 50,0×30,0×20,0 №87 (1907 Вт)
R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)
21 (d=2×1,5мм)
18 (d=2×1,5мм)
2,0
1,5

Как следует мотать первичную обмотку трансформатора?


Рис.2 а) б) в) г) д)

Если используются кольца 2000НМ отечественного производителя, то для начала – посредством наждачной бумаги скругляем наружные острые грани до состояния, приведённого на Рис.2 а).

Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку (Рис.2 б). В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту.

Для буржуйских колец фирмы EPCOS первые два пункта практической ценности не имеют.

Настало время намотать однослойную обмотку «виток к витку» (Рис.2 в). Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода – это важно!

Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра (Рис.2 г). Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре (или два провода по 0,7мм).

Ну и для полного завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку – пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты (Рис.2 д).

А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения.
Казалось бы, расчёты количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора настолько банальны и очевидны, что, как говаривал товарищ Мамин-Сибиряк – «яйца выеденного не стоят».
Да только вот опять – не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Поэтому для начала приведём формулу зависимости выходного напряжения от соотношения количества витков обмоток:
W1 (Uвх — Uдм1)/2 — Uнас ,
W2 (Uвых+Uдм2)

где: Uвх – значение выпрямленного напряжения сети, равное 1,41×220≈310В,
Uдм1 – падение напряжения на входном диодном мосте ≈ 1В,
Uдм2 – падение напряжения на выходном диодном мосте ≈ 1В,
Uнас – напряжение насыщения на ключевом транзисторе ≈ 1,6В.
Подставив значения, получаем конечную формулу: W2 = W1×(Uвых+1)/153 .
Это формула верна для тех случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу. Если же данный параметр нас интересует при максимальном токе нагрузки, то практика показывает, что количество витков вторичной обмотки следует увеличить на 10%.

Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора. Диаметр этот достаточно просто вычисляется по формуле:
D = 1,13× I / J , где I – ток обмотки, а J – параметр плотности тока, напрямую зависящий от мощности трансформатора и принимающий для кольцевых сердечников значения: ~4,5 для мощностей до 50Вт; ~4 для 50. 150Вт; ~3,25 для 150. 300Вт и ~2,75 для 300. 1000Вт.

И в завершении приведём незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора.

Точно так же, как и в случае с первичной обмоткой – вторичная должна быть как можно более равномерно распределена по периметру магнитопровода.

Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода. При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора.

При необходимости поиметь двуполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий – к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец – к GND-у.

Ну что ж, с трансформатором наконец-то определились, пора озадачиться полным джентльменским набором настоящего мужчины – плавками с меховым гульфиком, а главное, непосредственно импульсным блоком питания, оснащённым такими значимыми прибамбасами, как устройства мягкого пуска и защиты от токовых перегрузок и КЗ. Всё это хозяйство подробно опишем на странице – Ссылка на страницу.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *