Как сделать импульсный трансформатор высоковольтный

Импульсный трансформатор — виды, принцип работы, формулы для расчета

Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) — важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.

Различные модели импульсных трансформаторов

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:

На рисунках обозначены:

Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.

Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.

Принцип работы

Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Схема: подключение импульсного трансформатора

Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

Временная диаграмма иллюстрирующая работу импульсного трансформатора

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е_(t), временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала t_u, после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t_u).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ_p=L₀/R_н

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В_max — В_r

Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

График смещения

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U₂, в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i_u).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t_u остается неизменным, его значение е_t=U_m. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на t_u. В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, — перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:

Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µ_а, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра В_r, отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора
https://www.youtube.com/watch?time_continue=13&v=XYxKfYd8Elk

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Расчет импульсного трансформатора

Схема преобразователя

В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Р_н.

Значение Р_н отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Р_гб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:

Необходимые для вычисления параметры:

Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина U_I определяется выражением:

U_I=U/2-U_э ( U – питающее преобразователь напряжение; U_э— уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:

Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

Осталось рассчитать выходную обмотку ИТ, а именно, количество витков провода и его диаметр:

Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Как сделать трансформатор своими руками для импульсного источника питания

Как самостоятельно собрать трансформатор

Разработка эффективной схемы источника питания – довольно сложная задача. Те, кто уже работал с цепями импульсного источника питания, легко согласятся с тем, что конструкция обратноходового трансформатора играет жизненно важную роль в разработке эффективной цепи электропитания. В большинстве случаев эти трансформаторы не доступны в продаже в том же наборе характеристик, который соответствует нашему проекту.

Таким образом, в этом уроке по проектированию трансформаторов мы узнаем, как создать собственный трансформатор в соответствии с требованиями нашей схемы. Обратите внимание, что этот урок охватывает только теорию, на основе которой позже в другом уроке мы построим импульсную схему на 5 В и 2 A с трансформатором ручной работы, как показано на рисунке выше для практической демонстрации.

Конструкция трансформатора импульсного источника питания имеет различные части трансформатора, которые непосредственно отвечают за его работу. Компоненты, представленные в трансформаторе, описаны ниже, мы узнаем важность каждого компонента и то, как он должен быть выбран для вашей конструкции трансформатора. Эти компоненты в большинстве случаев одинаковы и для других типов трансформаторов.

Сердечник трансформатора

Трансформаторы импульсного блока питания сильно зависят от частоты, на которой они работают. Высокая частота переключения открывает возможности выбора более малых трансформаторов. Эти высокочастотные трансформаторы используют ферритовые сердечники.

Конструкция сердечника трансформатора является самой важной вещью в строении трансформатора. Сердечник имеет другой тип AL (коэффициент индуктивности активной зоны), в зависимости от материала сердечника, размера сердечника и типа сердечника. Популярным типом материала сердечника являются N67, N87, N27, N26, PC47, PC95 и т. д. Кроме того, производитель ферритовых сердечников предоставляет подробные параметры в техническом описании, которые будут полезны при выборе сердечника для вашего трансформатора. Например, вот документация для популярного сердечника EE25.

Изображение выше представляет собой данные на сердечник EE25 из материала PC47 от популярного производителя сердечников TDK. Каждый бит информации будет необходим для создания трансформатора. Однако сердечники имеют прямую зависимость от выходной мощности, поэтому для различной мощности источника питания требуются разные форма и размер сердечника.

Далее представлен список сердечников в зависимости от мощности. Список основан на конструкции 0-100 Вт. Источник списка взят из документации Power Integration. Эта таблица будет полезна для выбора правильного сердечника для вашей конструкции трансформатора на основе его номинальной мощности.

Здесь термин TIW обозначает конструкцию с тройной изолированной обмоткой. Е-сердечники являются наиболее популярными и широко используются в трансформаторах импульсных источников. Тем не менее, E-сердечники имеют несколько корпусов, таких как EE, EI, EFD, ER и т. д. Все они выглядят как буква «E», но центральная часть отличается для каждого вещества. Общие типы сердечников E-вида проиллюстрированы ниже с помощью изображений.

Бобина трансформатора

Бобина – это корпус для сердечников и обмоток. Такая бобина или катушка имеет эффективную ширину, которая необходима для расчета диаметров проволоки и конструкции трансформатора. Не только это, бобина трансформатора также имеет пунктирную метку, которая обеспечивает информацию для первичных обмоток. Обычно используемая катушка трансформатора EE16 показана ниже.

Вся обмотка трансформатора будет иметь первичную обмотку и как минимум одну вторичную обмотку, в зависимости от конструкции она может иметь больше вторичной обмотки или вспомогательной обмотки. Первичная обмотка является первой и самой внутренней обмоткой трансформатора. Она напрямую связана с первичной стороной источника питания. Обычно количество обмоток на первичной стороне больше, чем на других обмотках трансформатора. Найти первичную обмотку в трансформаторе легко; нужно просто проверить точечную сторону трансформатора на предмет первичной обмотки. Как правило, она расположена на стороне высокого напряжения силового транзистора.

В схеме импульсных источников питания вы можете заметить, что имеется линия постоянного тока высокого напряжения от высоковольтного конденсатора, соединенного с первичной стороной трансформатора, а другой конец соединен с драйвером питания или с отдельным стоковым выводом MOSFET-транзистора высокого напряжения.

Вторичная обмотка преобразует напряжение и ток на первичной стороне в требуемое значение. Найти вторичный выход немного сложно, так как в некоторых конструкциях трансформатор обычно имеет несколько вторичных выходов. Однако выходная сторона или сторона низкого напряжения цепи импульсного источника питания обычно подключена к вторичной обмотке. Одна сторона вторичной обмотки постоянного тока, GND, а другая сторона подключена через выходной диод.

Существуют различные типы импульсных схем, где для схемы драйвера требуется дополнительный источник напряжения. Вспомогательная обмотка используется для подачи этого дополнительного напряжения в схему управления. Например, если ваша микросхема драйвера работает от 12 В, то у трансформатора будет вспомогательная выходная обмотка, которая может использоваться для питания этой микросхемы.

Трансформаторы не имеют электрического соединения между разными обмотками. Поэтому перед намоткой разных обмоток необходимо обмотать изоляционные ленты вокруг обмоток для разделения. Типичные полиэфирные барьерные ленты используются с различной шириной для разных типов катушек. Толщина лент должна составлять 1-2 мил для обеспечения изоляции.

Этапы проектирования трансформатора

Теперь, когда мы знаем основные элементы трансформатора, мы можем выполнить следующие шаги, чтобы спроектировать наш собственный трансформатор.

Шаг 1: Найдите правильный сердечник для желаемого результата. Выберите правильные сердечники, перечисленные в разделе выше.

Шаг 2: Выяснение количество оборотов для первичных и вторичных обмоток. Первичный и вторичный витки взаимосвязаны и зависят от других параметров. Формула конструкции трансформатора для расчета первичного и вторичного витков следующая:

Np – количество витков первичной обмотки, Ns – количество витков вторичной обмотки, Vmin – минимальное входное напряжение, Vds – напряжение сток-исток силового транзистора, Vo – выходное напряжение, Vd – выходное напряжение диодов прямого падения напряжения, Dmax – максимальная скважность.

Следовательно, первичный и вторичный витки взаимосвязаны и характеризуются коэффициентом витков. Из приведенного выше расчета можно установить соотношение, и, таким образом, путем выбора вторичных витков можно определить первичные витки. Хорошей практикой является использование 1 витка на выходное напряжение вторичной обмотки.

Шаг 3: Следующим этапом является определение первичной индуктивности трансформатора. Это можно рассчитать по приведенной ниже формуле:

P0 – выходная мощность, z – коэффициент потерь, n – КПД, fs – частота переключения, Ip – пиковый первичный ток, KRP – пульсирующее отношение тока к пиковому значению.

Шаг 4: Следующий этап – выяснить эффективную индуктивность для нужного сердечника с зазором.

Lp – первичная индуктивность, Np – количество витков первичной обмотки.

Изображение выше показывает, что такое сердечник с зазором. Создание зазаора – это методика уменьшения значения первичной индуктивности сердечника до желаемого значения. Основные производители предоставляют сердечники с зазором для желаемого показателя эффективной индуктивности. Если такое значение недоступно, можно добавить проставки между сердечниками, чтобы получить желаемое значение.

Шаг 5: Следующий шаг – выяснить диаметр первичного и вторичного проводов. Диаметр провода для первичной обмотки в миллиметрах:

Диаметр проводника для вторичной обмотки в миллиметрах составляет:

Ns – число витков вторичной обмотки, а M – запас с обеих сторон. Провода должны быть преобразованы в стандарт AWG или SWG.

Для вторичного проводника более 26 AWG не допускается из-за усиления скин-эффекта. В таком случае могут быть сформированы параллельные провода. При параллельной намотке проводов это означает, что для намотки вторичной стороны требуется более двух проводов, диаметр каждого провода может указывать на фактическое значение одного провода для облегчения намотки на вторичной стороне трансформатора. Вот почему вы можете увидеть некоторые трансформаторы, имеющие два провода на одной катушке.

Источник

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

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

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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

Источник