Как рассчитать подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током
Перейти к содержимому

Как рассчитать подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током

  • автор:

Влияние тока подмагничивания на индуктивность трансформатора SE усилителя

На одном из форумов недавно обсуждалось влияние тока подмагничивания на индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора. Читаешь тему и сразу возникает вопрос – а что, разве нет способов визуально увидеть это влияние? Есть же, например, программа SpectraPLUS, которая позволяет оценивать комплексное сопротивление цепи – так что же мешает подключить к первичке трансформатора конденсатор и, получив резонансный контур, снять графики, соответствующие его комплексному сопротивлению в вариантах без подмагничивания и с подмагничиванием? А ничто не мешает. Делаем и проверяем Схема измерения несложная (рис.1). «В тумбочке» нашлась пара одинаковых выходных трансформаторов (рис.2) — один из них будет «подопытным», другой будет стоять в цепи подачи постоянного напряжения и выполнять роль дросселя для «развязки» сигнальной цепи и цепи подачи постоянного напряжения. Для того, чтобы была возможность изменять ток подмагничивания, постоянное напряжение берём с регулируемого блока питания (Uрег 0. 30 В). Конденсатор С1 предотвращает попадание постоянного напряжения на выход звуковой карты. С2 набран из четырёх конденсаторов – одного на 2,2 мкФ и 3-х штук по 1 мкФ. Такое значение ёмкости выбрано для того, чтобы контроль проходил на низких частотах, где влияние сердечника на работу трансформатора более заметно. Рис.1 Схема измеренияРис.2 Итак, в программе SpectraPLUS в режиме Complex Transfer Function снимаем графики комплексного сопротивления на участке 10 Гц…200 Гц (рис.3). Зелёный спектр с максимумом на 21 Гц – это трансформатор с током подмагничивания 25 мА, голубой (23,5 Гц) – с током 50 мА, бордовый (28 Гц) – с током 75 мА и розовый (37 Гц) – с током 100 мА. Острый «провал» на 50 Гц – это наведённая на провода и катушки трансформаторов помеха, она некритична. Рис.3 графики комплексного сопротивленияТеперь в программе RFSim99 «собираем» несложную модель и смотрим, при каких значениях индуктивностей образуют указанные резонансные частоты. Частота 21 Гц получается при индуктивностях 22 Гн (рис.4), 23,5 Гц – при 18 Гн (рис.5), 28 Гц при 12,5 Гн (рис.6) и 37 Гц при 7 Гн (рис.7). Рис.4 Рис.5 Рис.6 Рис.7 Перепроверяем результаты Чтобы проверить результаты, можно убрать из схемы конденсатор 5,2 мкФ, увеличить сопротивление резистора R3, допустим до 300 Ом и затем оценить потери на обмотке трансформатора на какой либо определённой частоте (например, на 25 Гц). Т.е., если разные индуктивности имеют разное реактивное сопротивление на частоте 25 Гц, то по потерям на трансформаторе можно узнать индуктивность его первичной обмотки. Схема проверки – на рис.8, резисторы 35 Ом – это омическое сопротивление обмоток, входное сопротивление порта 2 задано 20 кОм, так как примерно такое сопротивление имеет вход звуковой карты (в данном случае эти тонкости важны). По расчетному графику видно, что при индуктивностях 22 Гн потери на частоте 25 Гц должны составлять 15,6 dB. Рис.8 Запускаем в SpectraPLUS обычный двухканальный режим измерения, выставляем ток подмагничивания 25 мА, смотрим в левом канале уровень приходящего сигнала, в правом смотрим уровень на резисторе 300 Ом и видим потери в 15,43 dB (рис.9), что достаточно близко к расчётному значению в 15,6 dB. Рис.9 Далее делаем такие же замеры при других токах подмагничивания. Рис.10 – ток подмагничивания 50 мА, потери 13,92 dB. При задании в симуляторе индуктивностей 18 Гн, он прогнозирует потери в 13,9 dB. Рис.10 Рис.11 – ток подмагничивания 75 мА, потери 11,02 dB. При задании в симуляторе индуктивностей 12,5 Гн, он прогнозирует потери в 11,1 dB. Рис.11 Рис.12 – ток подмагничивания 100 мА, потери 7,34 dB. При установке в симуляторе 7 Гн, прогнозируемые потери 7,31 dB. Рис.12 Самая большая разница между расчётным и измеренным значением потерь была 0,17 dB (что достаточно мало), поэтому проверку можно считать пройденной.

Итог Да, подмагничивание сердечника трансформатора SE усилителя вызывает уменьшение индуктивности первичной обмотки (даже без изменения толщины зазора в сердечнике) и это можно увидеть визуально. Влияние, скорее всего, такое – индуктивность катушки зависит от магнитной проницаемости сердечника, которая зависит от магнитной индукции, которая зависит от внешнего магнитного поля, которое зависит от протекающего через катушку тока. 🙂

Ну, и так как ток в катушке «пульсирующий» (состоит из сигнальных амплитуд, наложенных на постоянный ток), то логично предположить, что при разных мгновенных значениях тока индуктивность катушки может быть разная. Т.е., при условно «положительных» амплитудах лампа работает на меньшее сопротивление, а при условно «отрицательных» — на большее сопротивление. Надо бы как-нибудь проверить. Описанный «резонансный» способ позволяет измерять индуктивности первичных обмоток трансформаторов при заданных токах подмагничивания. Измерить индуктивность можно и «нерезонансным» способом — простым переводом реактивного сопротивления в индуктивность, т.е., примерно так, как проводилась перепроверка результата во второй части текста. «Резонансный» же был выбран для того, чтобы влияние внутренних конструктивных емкостей трансформатора минимизировалось наличием большого внешнего конденсатора. Для уменьшения влияния дросселя L1 на измерения, его индуктивность должна иметь максимально возможное значение. Если же источник питания позволяет получать большие напряжения, то дроссель можно исключить из цепи, увеличив при этом сопротивление резистора R3. Андрей Гольцов, г. Искитим.

Список радиоэлементов
Теги:

Как рассчитать подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током

Текущее время: Сб мар 09, 2024 19:03:01

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Запрошенной темы не существует.

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Русская поддержка phpBB
Extended by Karma MOD © 2007—2012 m157y
Extended by Topic Tags MOD © 2012 m157y

Работоспособность сайта проверена в браузерах:
IE8.0, Opera 9.0, Netscape Navigator 7.0, Mozilla Firefox 5.0
Адаптирован для работы при разрешениях экрана от 1280х1024 и выше.
При меньших разрешениях возможно появление горизонтальной прокрутки.
По всем вопросам обращайтесь к Коту: kot@radiokot.ru
©2005-2024

Radiohobby Forum

Внимание! Почта в доменах Яндекс и Mail.ru не будет работать в профилях форумчан, из-за введённых правительством Украины санкций против этих компаний. Всем, кто ранее использовал подобную почту, для сохранения прежней функциональности форума, рекомендуется её поменять.

Огромная просьба, заливать тематические картинки и файлы в личные файловые каталоги на форуме, чтобы они не потерялись, со временем!

Ссылка «Загрузки» находится справа внизу формы набора сообщения.

Подписка на журнал «Радиохобби» прекращена. Подробности. Форум же — продолжает свою работу.

  • Скачать архив конференции
  • Форум
  • » Источники питания и измерительная техника
  • » Подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током

Страницы 1 2 3 … 17 Вперед

#1 02.10.2010 20:35:44

AudioKiller Участник Откуда: Ростов-на-Дону Здесь с 27.04.2006 Сообщений: 76 Сайт

Подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током

Существует мнение, что если усилитель воспроизводит синусоидальный сигнал частотой 25 Гц (половина частоты питающей сети), то при этом сердечник трансформатора подмагничивается постоянным током. Общение на радиолюбительских форумах показало, что все сводится (я немного упрощаю) к двум позициям:
1. Постоянка присутствует исключительно в схеме выпрямителя со средней точкой и одним диодным мостом. Если же у трансформатора две вторички, каждая из которых имеет свой выпрямитель (т.е. два отдельных выпрямителя соединены выходами), то никакого подмагничивания не случится.

2. Применять тороидальные трансформаторы опасно, т.к. из-за отсутствия зазора в сердечнике подмагничивание сказывается на них очень сильно. Поэтому мощность трансформатора надо выбирать раза в два больше, чем нужно.

ЭТО НЕ ТАК! По обоим позициям.

Я встретился с подмагничиванием в статье Константина Никитина «Электропитание аудиоаппаратуры: мифы и реальность», опубликованной в журнале «Аудио Магазин» №1 за 1998 год. Меня эта информация тогда сильно не зацепила – уж очень маловероятно, что в реальном музыкальном сигнале встретилась составляющая точь-в-точь частотой 25 Гц с большой амплитудой и длительностью.
Однако недавно я заинтересовался этим вопросом и довольно быстро выяснил, что у всех этих мнений единственный первоисточник – вышеупомянутая статья. Других публикаций на эту тему я не нашел. Я проанализировал работу трансформатора в таком режиме (теоретически и экспериментально), но несколько сомневался в своих результатах. Поэтому я связался по электронной почте с автором статьи Константином Никитиным, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой Силовой электроники в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. Бонч-Бруевича. И получил полное одобрение следующих «пяти положений о подмагничивании»:

1. При усилении синусоидального сигнала частотой 25 Гц возникает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, вызывающим насыщение сердечника. Физическая причина подмагничивания при работе выпрямительно-трансформаторной схемы на усилитель проста: усилитель потребляет не постоянный ток, а сигнал с частотой, равной удвоенной частоте усиления. Следовательно, вполне возможны ситуации, когда условия работы трансформатора от периода к периоду сетевой частоты будут существенно разниться. Так как в штатной ситуации трансформатор подводится к насыщению исключительно током холостого хода (рабочие токи обмоток создают равные и противоположные потоки), то достаточно минимального, соизмеримого с током холостого хода (в пересчете на первичную обмотку), тока подмагничивания – и авария обеспечена.

2. Такое подмагничивание характерно для усилителей, выходной каскад которых работает в классе В или АВ и отсутствует у усилителей, выходной каскад которых работает в классе А.

3. На практике частота сигнала не обязательно должна быть именно 25 Гц – трансформатору для насыщения хватает и не нулевой (но достаточно малой) частоты подмагничивания.

4. Подмагничивание происходит как в схеме выпрямителя со средней точкой и одним общим диодным мостом, так и в схеме с отдельными обмотками трансформатора и отдельными мостами в каждом плече. С точки зрения подмагничивания схемы не эквивалентны, но оно есть везде.

5. В силу того, что в реальном звуковом сигнале составляющие «критических» частот имеют малую амплитуду и продолжительность, указанная опасность невелика, но вот на спецсигналах может быть спровоцирована ситуация, когда всё будет плохо.
Теперь по поводу тороидальных трансформаторов. Мощность трансформатора никак не связана с сопротивляемостью подмагничиванию, поэтому увеличение мощности практически ничего не даст. Как и величина сопротивления обмоток. Отсутствие зазора в сердечнике ситуацию ухудшает, но не так сильно, как обычно считают – в броневых и стержневых трансформаторах зазор достаточно мал, и в реальности разница между таким маленьким зазором и его полным отсутствием малозаметна.
Гораздо лучшие результаты дает снижение рабочей индукции трансформатора, правда это тоже не выход.
Но на самом деле со всем этим можно не заморачиваться – на реальном сигнале если подмагничивание и произойдет, то несильно и кратковременно, так что ничего плохого не случится. Так же, как и кратковременное наличие частоты 25 Гц при тестировании колонок свип-синусом.

Отредактировано AudioKiller (10.10.2010 15:53:52)

Подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током

Существует мнение, что если усилитель воспроизводит синусоидальный сигнал частотой 25 Гц (половина частоты питающей сети), то при этом сердечник трансформатора подмагничивается постоянным током. Общение на радиолюбительских форумах показало, что все сводится (я немного упрощаю) к двум позициям:

1. Постоянка присутствует исключительно в схеме выпрямителя со средней точкой:

Если же у трансформатора две вторички, каждая из которых имеет свой выпрямитель:

то никакого подмагничивания не случится.

2. Применять тороидальные трансформаторы опасно, т.к. из-за отсутствия зазора в сердечнике подмагничивание сказывается на них очень сильно. Поэтому мощность трансформатора надо выбирать раза в два больше, чем нужно.

Это все ерунда — об этом вообще можно не задумываться.

Я встретился с подмагничиванием в статье Константина Никитина «Электропитание аудиоаппаратуры: мифы и реальность», опубликованной в журнале «Аудио Магазин» №1 за 1998 год. Меня эта информация тогда сильно не зацепила – уж очень маловероятно, что в реальном музыкальном сигнале встретилась составляющая точь-в-точь частотой 25 Гц с большой амплитудой и длительностью.

Однако недавно я заинтересовался этим вопросом и довольно быстро выяснил, что у всех этих мнений единственный первоисточник – вышеупомянутая статья. Других научных публикаций на эту тему я не нашел. Я проанализировал работу трансформатора в таком режиме (теоретически и экспериментально), но несколько сомневался в своих результатах. Поэтому я связался по электронной почте с автором статьи Константином Никитиным, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой Силовой электроники в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. Бонч-Бруевича. И получил полное одобрение следующих «пяти положений о подмагничивании»:

1. При усилении синусоидального сигнала частотой 25 Гц возникает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, вызывающим насыщение сердечника. Физическая причина подмагничивания при работе выпрямительно-трансформаторной схемы на усилитель проста: усилитель потребляет не постоянный ток, а сигнал с частотой, равной удвоенной частоте усиления. Следовательно, вполне возможны ситуации, когда условия работы трансформатора от периода к периоду сетевой частоты будут существенно разниться. Так как в штатной ситуации трансформатор подводится к насыщению исключительно током холостого хода (рабочие токи обмоток создают равные и противоположные потоки), то достаточно минимального, соизмеримого с током холостого хода (в пересчете на первичную обмотку), тока подмагничивания – и авария обеспечена.

2. Такое подмагничивание характерно для усилителей, выходной каскад которых работает в классе В или АВ и отсутствует у усилителей, выходной каскад которых работает в классе А.

3. На практике частота сигнала не обязательно должна быть именно 25 Гц – трансформатору для насыщения хватает и не нулевой (но достаточно малой) частоты подмагничивания.

4. Подмагничивание происходит как в схеме выпрямителя со средней точкой и одним общим диодным мостом, так и в схеме с отдельными обмотками трансформатора и отдельными мостами в каждом плече. С точки зрения подмагничивания схемы не эквивалентны, но оно есть везде.

5. В силу того, что в реальном звуковом сигнале составляющие «критических» частот имеют малую амплитуду и продолжительность, указанная опасность невелика, но вот на спецсигналах может быть спровоцирована ситуация, когда всё будет плохо.

Что плохого в этом подмагничивании? Плохо то, что трансформатор работает на переменном токе и не работает на постоянном. Поэтому, если на переменном токе ток вторичной обмотки компенсируется током первичной, то на постоянном такой компенсации не происходит. И постоянный ток дополнительно намагничивает сердечник трансформатора, который и без того уже намагничен под завязку. Ток первичной обмотки при этом сильно повышается, обмотка сильно нагревается. Хорошо, если сгорит предохранитель в первичной обмотке, а не сама обмотка.

Вот как выглядит ток трансформатора (на холостом ходу, чтобы не мешал ток, отдаваемый во вторичную обмотку):

Возникает подмагничивание грубо говоря так: когда ток сети протекает через обмотку трансформатора в одном направлении, усилитель от выпрямителя потребляет ток. Поэтому ток трансформатора большой. Когда ток в трансформаторе меняет направление, усилитель перестает потреблять ток, и ток в трансформаторе маленький. Получается, что в одном направлении через трансформатор протекает больше тока, чем в противоположном. Ток, текущий только в одном направлении и есть постоянный ток. Поскольку этот ток определяется током нагрузки блока питания, то ни схема выпрямителя, ни сопротивление обмоток на постоянный ток не влияют – он получается как некоторый процент от тока нагрузки.

Более научно появление постоянной составляющей объясняется так. Ток, потребляемый усилителем от источника питания изменяется во времени. И ток, отдаваемый трансформатором с одной стороны переменный 50 Гц, с другой — меняется еще и пропорционально току усилителя. Происходит перемножение этих токов (точнее законов их изменения). Такое перемножение называется модуляцией, когда сигнал частотой F изменяется по величине пропорционально сигналу с (меньшей) частотой f. Все это описывается уравнением:

Здесь m – коэффициент модуляции, показывающий во сколько раз амплитуда модулирующего сигнала отличается от амплитуды несущей. В радиосвязи обычно 0< m

Модулированный сигнал состоит из 3-х частот: F-f, F, F+f. Первая и последняя называются боковыми полосами. Это давно доказано и изучено, это элементарная радиотехника.

Если выходной каскад работает в классе А, то m =0 (меньше нуля m не бывает). И действительно, при этом ток, потребляемый усилителем от источника питания неизменен, и никакой модуляции не происходит. При усилении в классе АВ или В ток каждого плеча выпрямителя – это ток одного полупериода выходного сигнала усилителя.

Весь ток представляет собой последовательность полупериодов частотой 25 Гц, причем только положительных – направление тока не важно, оно все равно коммутируется диодами. Смысл в том, что ток или потребляется, или нет. И именно по такому закону изменяется амплитуда тока сети – она либо увеличивается на пике сигнала, либо уменьшается.

Ток такой вот формы состоит практически из одной только второй гармоники усиливаемого сигнала. Для сигнала частотой 25 Гц 2-я гармоника равна 50 Гц. При модуляции образуются боковые частоты:

Очевидно, что одна разностная частота равна нулю – это и есть постоянная составляющая. Вот как выглядят осциллограммы этих токов:

Я так подозреваю, что эти все формулы тоже могут быть не совсем точными: либо m вычисляется не совсем так, либо его нельзя применять вот так «в лоб». Так что вполне возможно, что реальный постоянный ток может быть как в 3 раза больше, чем вычисленный по формулам, так и в 3 раза меньше. Мне это не важно — я же не диссертацию тут пишу! Главное, что физика процесса показана верно, и понятно что откуда и почему берется. Должен заметить, что поскольку про подмагничивание было известно более 10 лет назад, то вся теория наверняка существует. Для меня здесь важны только 2 вещи:

  1. Подмагничивание постоянным током реально существует
  2. В реальной работе по воспроизведению звукового сигнала об этом подмагничивании можно не беспокоиться.

Теперь по поводу тороидальных трансформаторов. Мощность трансформатора никак не связана с сопротивляемостью подмагничиванию (т.к. мощность определяется толщиной проводов обмоток), поэтому увеличение мощности практически ничего не даст. Практически – потому что если взять трансформатор с мощностью больше, чем требуется, то в отсутствии подмагничивания он будет работать с недогрузкой и греться меньше нормы. Поэтому у него будет немного больше запас по допустимому нагреву при подмагичивании. Однако, рост тока первичной обмотки происходит настолько сильно, что этот запас по мощности будет заметен только если мощность трансформатора раз в 10 превосходит номинальную.

Отсутствие зазора в сердечнике ситуацию ухудшает, но не так сильно, как обычно считают – в броневых и стержневых трансформаторах зазор достаточно мал, и в реальности разница между таким маленьким зазором и его полным отсутствием малозаметна.

Гораздо лучшие результаты дает снижение рабочей индукции трансформатора, но это тоже не выход – индукцию снизить в 2…3 раза нереально, а снижение индукции в меньшей степени не спасет.

Но на самом деле со всем этим можно не заморачиваться – на реальном сигнале если подмагничивание и произойдет, то несильно и кратковременно, так что ничего плохого не случится. Так же, как и кратковременное наличие частоты 25 Гц при тестировании колонок свип-синусом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *