Расчет трансформатора на ферритовом кольце онлайн калькулятор: Калькулятор расчета трансформатора на ферритовом кольце — MOREREMONTA

Содержание

Калькулятор расчета трансформатора на ферритовом кольце — MOREREMONTA

«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, безусловно, 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 идентичными 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 ни устройством защиты, ни какими-либо другими излишествами.


Рис. 1

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 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 блока
питания, Вт
Размеры кольца, мм ;
(габаритная мощность, Вт)
Количество витков
первичной обмотки
Индуктивность
обмотки, мГн
25 R 20×12×6 2000НМ (33,8 Вт)
R 22,1×13,7×6,35 №87 (51,5 Вт)
50 R 22,1×13,7×12,5 №87 (100,1 Вт)
R 22,1×13,7×7,9 №87 (63,9 Вт)
R 27×18×6 2000НМ (85,3 Вт) 100 R 28×16×9 2000НМ (136 Вт)
R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт) 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) 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) 800 R 40×25×22 2000НМ (998 Вт)
R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)
R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт) 1500 R 50,0×30,0×20,0 №87 (1907 Вт)
R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)

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 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 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 приведу 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 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.

Несколько упрощенных формул для расчета обычных и импульсных трансформаторов ИБП и БП.

Упрощенная формула для расчета ферритовых трансформаторов для ИБП.
5760/F(кГц) = К
Sсеч/К = V(вольт) на 1виток

где:
F — частота преобразования в Гц.
S — сечение ферритового магнитопровода в мм.
V — количество вольт на 1 виток
К — коэффициент зависимости от частоты.

Упрощенная формула для расчета обычных трансформаторов 50Гц.
Sсеч.мм*0.0003=V(вольт) на 1 виток
где:
S — сечение магнитопровода в мм
V — кол.вольт на 1 виток

Упрощенная формула для определения сечения круглого обмоточного провода
D х D / 1.27 = Sсеч.мм
где:
D — диаметр провода
S — площадь сечения провода

Упрощенная усредненная формула для расчета необходимого сечения намоточного провода
A / 3.85 = Sсеч.мм
где:
A — номинальный ток нагрузки
S — площадь сечения провода

Пример расчета трансформатора импульсного БП.
Допустим, имеем Ш образный ферритовый сердечник с размерами центрального столбика 11 и 12мм. Необходимо определить площадь сечения магнитопровода.
Перемножаем размеры между собой 11х12=132мм Sсеч=132мм.кв. Один параметр уже есть!
О определяем частоту преобразования ИБП, возьмем к примеру 50кГц. F(Гц)=50кГц это второй параметр!
Теперь нужно определить коэффициент зависимости от частоты К. Берем первую формулу из файла: 5760/F(кГц)=К, подставляем цифры 5760/50=115 Kз.ч.= 115. Мы определили коэффициент зависимости от частоты, он равен 115
Берем вторую формулу из файла S/K=V(вольт) на 1виток. Снова подставляем цифры которые у нас уже есть. 132/115=1.1 вольт на 1 виток, то есть если нам нужно намотать 150В первичку для полумостовой схемы ИБП. Делим 150/1.1=136 витков. Остальные обмотки рассчитываются так же. Допустим нам нужна вторичка 12В, значит 12/1.1=11 витков.

Специально для начинающих: Артур (Левша)

Сайт для радиолюбителей

Маркировка размеров кольцевых сердечников

Сначала цифрами указывается величина начальной магнитной проницаемости, затем марка используемого материала, и потом размер кольца в миллиметрах:

2000НН D x d x h

Где — 2000 величина начальной магнитной проницаемости, НН – марка материала, D – внешний диаметр, d – внутренний диаметр, h – толщина кольца, все размеры в миллиметрах.

Для более простых расчетов стоит воспользоваться оценочными формулами, позволяющими получить приближенные значения параметров катушки по известным характеристикам:

При D1/D2> 1.75 При D1/D2

Расчет индуктивности катушки на тороидальном ферритовом сердечнике

Расчет начальной магнитной проницаемости ферритовых колец по пробной обмотке

Равномерно по всему кольцу намотайте не менее 5 витков провода, измерьте индуктивность полученной катушки и заполните предложенную форму.

В качестве эксперимента был взят тороидальный ферритовый сердечник с магнитной проницаемостью 2000 с внешним диаметром 46 мм, внутренним диаметром 28, высотой 8 мм. Намотав равномерно по всему кольцу 17 витков провода была получена индуктивность 444 мкГн (измерена при помощи Е7-21).

Вот результаты расчета по данному примеру:

Обновлено: 27. 04.2017 в 08:24 | Просмотров: 66 614

  • Похожие статьи
  • Простой приемник коротковолновика — Используя микросхемы разработанные для бытовой РЭА можно изготовить несложный приемник для наблюдений за работой радиолюбительских станций. В статье описан вариант на диапазон 160 метров( 1,81…2,0 МГц) Он собран на трех интегральных микросхемах по супергетеродинный схеме и содержит минимум.
  • Приемники прямого усиления (приемник с выходным контуром повышенной добротности) — Приемник предназначен для приема сигналов в диапазоне ДВ(150кГц. 300кГц). Главная особенность приемника в антенне, которая имеет большую индуктивность чем обычная магнитная антенна. Что позволяет применить емкость подстроечного конденсатора в пределах 4. 20пФ, а так же такой приемник обладает.
  • Перестраиваемый малошумящий антенный усилитель — Данный усилитель обеспечивает усиление в зависимости от частоты — 18(50МГц) до 14(230МГц)дБ. В нем применен малошумящий полевой транзистор, что обеспечивает высокую чувствительность. Входной контур образован индуктивностью L1 и емкостями варикапов, диодов и транзистора, обеспечивает частотную.
  • Коротковолновый усилитель мощности — Применение автоматической регулировки тока покоя лампы по огибающей однополосного сигнала позволяет значительно снизить его и приблизить режим работы усилителя к идеальному. Вторым, не менее важным, узлом в усилителе является стабилизатор напряжения экранной сетки, которому в любительском.
  • Адаптер для питания ноутбука в автомобиле — Преобразователь может питаться от 10В до 15В, на выходе 19В при максимальном токе 2,5А. Так же есть схема защиты входного напряжения от падения его ниже 10В. Контроллер импульсов переменной скважности выполнен на UC3843(А1). Выходные импульсы поступают на затвор мощного ключевого полевого.

Добавить комментарий

Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Расчет первичной обмотки импульсного трансформатора. Расчет и моделирование высокочастотного трансформатора в составе однотактного обратноходового преобразователя.

Итак, приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора

Для кольцевого сердечника не нужно изготавливать каркас и мастерить приспособление для намотки. Единственное, что придётся сделать, так это изготовить простенький челнок.

На картинке изображён ферритовый магнитопровод М2000НМ.

Идентифицировать типоразмер кольцевого магнитопровода можно по следующим параметрам.

D – внешний диаметр кольца.

d – внутренний диаметр кольца.

H – высота кольца.

В справочниках по ферритовым магнитопроводам эти размеры обычно указываются в таком формате: КD xd xH .

Пример: К28х16х9

Вернуться наверх к меню.

Получение исходных данных для простого расчёта импульсного трансформатора.

Напряжение питания.

Помню, когда наши электросети ещё не приватизировали иностранцы, я строил импульсный блок питания. Работы затянулись до ночи. Во время проведения последних испытаний, вдруг обнаружилось, что ключевые транзисторы начали сильно греться. Оказалось, что напряжение сети ночью подскочило аж до 256 Вольт!

Конечно, 256 Вольт, это перебор, но ориентироваться на ГОСТ-овские 220 +5% –10% тоже не стоит. Если выбрать за максимальное напряжение сети 220 Вольт +10%, то:

242 * 1,41 = 341,22V (считаем амплитудное значение).

341,22 – 0,8 * 2 ≈ 340V (вычитаем падение на выпрямителе).

Индукция.

Определяем примерную величину индукции по таблице.

Пример: М2000НМ – 0,39Тл.

Частота.

Частота генерации преобразователя с самовозбуждением зависит от многих факторов, в том числе и от величины нагрузки. Если выберите 20-30 кГц, то вряд ли сильно ошибётесь.

Граничные частоты и величины индукции широко распространённых ферритов.

Марганец-цинковые ферриты.

Параметр

Марка феррита

Никель-цинкове ферриты.

Параметр

Марка феррита

Граничная частота при tg δ ≤ 0,1, МГц

Магнитная индукция B при Hм = 800 А / м, Тл

Вернуться наверх к меню.

Как выбрать ферритовый кольцевой сердечник?

Выбрать примерный размер ферритового кольца можно при помощи калькулятора для расчета импульсных трансформаторов и справочника по ферритовым магнитопроводам. И то и другое Вы можете найти в «Дополнительных материалах».

Вводим в форму калькулятора данные предполагаемого магнитопровода и данные, полученные в предыдущем параграфе, чтобы определить габаритную мощность срдечника.

Не стоит выбирать габариты кольца впритык к максимальной мощности нагрузки. Маленькие кольца мотать не так удобно, да и витков придётся мотать намного больше.

Если свободного места в корпусе будущей конструкции достаточно, то можно выбрать кольцо с заведомо бо’льшей габаритной мощностью.

импульсных источников питания на ферритовых кольцах http://www. ferrite. /user_files/File/…literature8.zip схема к статье:

Расчёт дросселя (статья) http://valvolodin. na…ms/drossel. html

Рассчет дросселей на резисторах МЛТ (прога) — http://rf. *****/s3/r-dros. html

Программа для расчёта высокочастотных трансформаторов и дросселей — http://www. /…gramm/5/3.shtml

Программа для расчёта импульсного трансформатора — http://www. /…gramm/5/2.shtml

Дроссели переменного тока радиоэлектронной аппаратуры — http://dmitriks. naro…ooks/dptra. djvu

Рассчёт дросселей и катушек книга — http://depositfiles….files/mcckejoig

Трансформаторы и дроссели 1. 1 на archive. ***** —

Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств — http://dmitriks. naro…oks/opsvfu. djvu

«Импульсные источники вторичного электропитания в бытовой радиоаппаратуре» — http://dmitriks. naro…books1/iip. djvu

на 494 http://focus. /…1d/slva001d. pdf

ТРАНСФОРМАТОРЫ И ДРОССЕЛИ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ — http://members. kern….ouz/chokes. html
http://www. /ser2800.cfm

Выбор и расчет конструкции анодного дросселя — http://qrx. *****/hams/r_and. htm

Расчет индуктивности дросселя с магнитным зазором — http://www. gerelo. dp…ras_indukt. html

Расчёт трансформатора и дросселя — http://enginee-ru. uc…oad/
http://enginee-ru. uc…/load/

автоматическиq on-line калькулятор
http://schmidt-walte…smps_e. html#Abw

.
Расчет маломощных силовых трансформаторов и дросселей фильтров
http://*****/book/krizeSN. zip

характеристики и прога рассчета индуктивностей на металопорошковых
сердечниках Micrometals — http://www. /

Материаллы — http://www. ferrite. /

Прога по катушкам — http://*****/nuke/modules/Downloads/pub…/l_%20meter. zip

Кольцевые сердечники: ферритовые кольца Amidon — http://www. *****/…rrite_Cores. htm

Библиотека знаний: http://www. /library. asp
Расчетные программы: http://www. mag-inc. c…re/software. asp

Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания — http://www. *****/~slash/st8.html

Ещё материаллы и расчёт — http://*****sgates….ocore. php? pg=12

имп сердечники и их расчёт — http://www. /default. asp

===================================================================================
НАСЫЩЕНИЕ СЕРДЕЧНИКА
Если через катушку с сердечником протекает большой ток, то магнитный материал сердечника может войти в насыщение. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечет за собой пропорциональное уменьшение индуктивности. Уменьшившаяся индуктивность вызывает дальнейший ускоренный рост тока через КИ, и т. д. В большинстве ИИП насыщение сердечника крайне нежелательно и может приводить к следующим негативным явлениям:

увеличенный уровень потерь в материале сердечника и увеличенный уровень омических потерь в проводе обмотки приводят к неоправданно низкому КПД ИИП;
дополнительные потери вызывают перегрев КИ, а также расположенных поблизости радиодеталей
сильные магнитные поля в сердечнике в сочетании с его уменьшившейся магнитной проницаемостью являются многократно усиленным по сравнению с нормальным режимом работы источником помех и наводок на малосигнальные цепи ИИП и другие приборы;
ускоренно нарастающий ток через КИ вызывает ударные токовые перегрузки ключей ИИП, повышенные омические потери в ключах, их перегрев и преждевременный выход из строя;
ненормально большие импульсные токи КИ влекут за собой перегрев электролитических конденсаторов фильтров питания, а также увеличенный уровень помех излучаемых проводами и дорожками печатной платы ИИП.
Список можно продолжить, но и так уже ясно, что следует избегать работы сердечника в режиме насыщения. Ферриты входят в насыщение, если величина плотности потока магнитной индукции превышает 300 [мТ] (миллитесла), причем эта величина не так уж сильно зависит от марки феррита. То есть 300 [мТ] является как бы врожденным свойством именно ферритов, другие магнитные материалы имеют другие величины порога насыщения. Например, трансформаторное железо и порошковое железо насыщаются при примерно 1 [Т], то есть могут работать в гораздо более сильных полях. Более точные значения порога насыщения для разных ферритов указаны в таблице 5.

Величина плотности потока магнитной индукции в сердечнике рассчитывается по следующей формуле:

(8) B = 1000 * µ0 * µe * I * N / le [мТ]
где µ0 — абсолютная магнитная проницаемость вакуума , 1.257*10-3 [мкГн/мм]
µe — относительная магнитная проницаемость сердечника (не путать с проницаемостью материала сердечника!)
I — ток через обмотку, [А]
N — количество витков в обмотке
le — длина средней магнитной линии сердечника, [мм]

Несложное преобразование формулы (8) поможет найти ответ на практический вопрос — какой максимальный ток может проходить через дроссель до того, как сердечник войдет в насыщение:

(9) Iмакс = 0. 001 * Bмакс * le / (µ0 * µe * N) [A]
где Bмакс — табличное значение для используемого материала сердечника, вместо которого можно использовать значение 300 [мТ] для любых силовых ферритов

Для сердечников с зазором удобно подставить сюда выражение (4), после сокращений получаем:

(10) Iмакс = 0.001 * Bмакс * g / (µ0 * N) [A]

Результат получается на первый взгляд довольно парадоксальный: величина максимального тока через КИ с зазором определяется отношением размера зазора к количеству витков обмотки, и не зависит от размеров и типа сердечника. Однако этот кажущийся парадокс просто объясняется. Ферритовый сердечник настолько хорошо проводит магнитное поле, что все падение напряженности магнитного поля приходится на зазор. При этом величина потока магнитной индукции, одинаковая и для зазора и для сердечника, зависит лишь от толщины зазора, тока через обмотку и количества витков в обмотке, и не должна превышать 300 [мТ] для обычных силовых ферритов.

Для ответа на вопрос, какой величины суммарный зазор g надо ввести в сердечник, чтобы он выдержал без насыщения заданный ток, преобразуем выражение (10) к следующему виду:

(11) g = 1000 * µ0 * I * N / Bмакс [мм]

Чтобы нагляднее показать влияние зазора, приведем следующий пример. Возьмем сердечник E30/15/7 без зазора, феррит 3C85, магнитная проницаемость µe = 1700. Рассчитаем количество витков, необходимое для получения индуктивности 500 [мкГн]. Сердечник, согласно таблице, имеет AL = 1.9 [мкГн], воспользовавшись формулой (7) получаем чуть более 16 витков. Зная эффективную длину сердечника le = 67 [мм], по формуле (9) вычислим максимальный рабочий ток, Iмакс = 0.58 [А].

Теперь введем в сердечник прокладку толщиной 1 [мм], зазор составит g = 2 [мм]. Эффективная магнитная проницаемость уменьшится, после несложных расчетов по формулам (5) и (7) находим, что для получения индуктивности 500 [мкГн] надо намотать 125 витков. По формуле (10) определяем максимальный ток КИ, он увеличился до 3.8 [А], то есть более чем в 5 раз!

Отсюда следует и практическая рекомендация для читателей, самостоятельно конструирующих дроссели. Чтобы получить катушку индуктивности, работающую при максимально возможном токе, заполняйте сердечник проводом полностью, а затем вводите в сердечник максимально возможный зазор. Если при проверочном расчете окажется, что дроссель имеет чрезмерный запас по току, то выбирайте меньший размер сердечника, или, по крайней мере, уменьшайте количество витков в обмотке, чтобы снизить потери в меди, и одновременно уменьшайте зазор в сердечнике. Важно подчеркнуть, что эта рекомендация не относится к трансформаторам, в которых ток через первичную обмотку состоит из двух составляющих: тока, передаваемого во вторичную обмотку, и небольшого тока, намагничивающего сердечник (ток магнетизации).

Как видим, зазор в сердечнике дросселя играет исключительно важную роль. Однако не все сердечники позволяют вводить прокладки. Кольцевые сердечники выполнены неразъемными, и, вместо того чтобы «регулировать» эквивалентную магнитную проницаемость при помощи зазора, приходится выбирать кольцо с определенной магнитной проницаемостью феррита. Этим и объясняется факт большого разнообразия типов магнитных материалов, применяемых промышленностью для изготовления колец, тогда как разъемные сердечники для ИИП, куда легко ввести зазор, почти всегда выполнены из ферритов с высокой магнитной проницаемостью. Наиболее употребительными для ИИП оказываются два типа колец: с низкой проницаемостью (в пределах 50…200) — для дросселей, и с высокой проницаемостью (1000 и более) — для трансформаторов.

Порошковое железо оказывается наиболее предпочтительным материалом для кольцевых неразъемных сердечников дросселей, работающих при больших токах подмагничивания. Проницаемость порошкового железа обычно находится в пределах 40…125, чаще всего встречаются кольца, выполненные из материалов с проницаемостью 50…80. В таблице 6 приведены справочные данные кольцевых сердечников из порошкового железа фирмы Филипс.

Проверить, входит ли сердечник в насыщение при работе ИИП, несложно, достаточно при помощи осциллографа проконтролировать форму тока, протекающего через КИ. Датчиком тока может служить низкоомный резистор или трансформатор тока. КИ работающая в нормальном режиме будет иметь геометрически правильную треугольную или пилообразную форму тока. В случае же насыщения сердечника форма тока будет искривлена. 2*S/Lср,
где m — магнитная проницаемость феррита,
m0 — магнитная постоянная,
N — число витков,
S — площадь поперечного сечения феррита,
Lср — длина средней линии ферритового кольца.
Активное сопротивление обмотки (без учета скин-эффекта):
R=p*Lп/S,
где p — удельное сопротивление меди (0.017Ом*м),
Lп — длина провода обмотки,
Sп — площадь сечения провода.

Расчет дросселя я провожу в следующем порядке:
1) Выявляем параметры ферритового кольца: магнитную проницаемость m, длину средней линии Lср, площадь сечения S, индукцию насыщения Bm. Последний параметр можно узнать в справочнике по известной марке феррита, либо на сайте производителя феррита.
2) Задаемся необходимой индуктивностью дросселя L.
3) Зная параметры L, m, Lср, S, вычисляем необходимое количество витков N.
4) Определяем максимальное токопотребление нагрузки I и берем с 10-15% запасом.
5) Зная параметры m, Lср, S, I, N рассчитываем индукцию B внутри феррита. Если она оказывается больше, чем 0. 8Bm, значит кольцо для поставленной задачи не подходит, необходимо выбрать кольцо либо бОльшего сечения, либо с бОльшей индукцией насыщения.
6) Если индукция не превышает 0.8Bm, определяем удовлетворяет ли нас дроссель по рассеиваемой мощности. Для этого задаемся максимальной мощностью, рассеиваемой на дросселе (Pm=0.5-2Вт в зависимости от размеров кольца).
7) По заданной мощности Pm и токопотреблении I, определяем активное сопротивление провода обмотки R.
8) Подбираем провод, которым собираемся наматывать (0.8-1мм для намотки в один провод, 0.5-0.6мм для намотки в несколько проводов).
9) Зная сечение провода(ов) Sпр и их активное сопротивление R, вычисляем максимальную длину провода(ов) Lпр.
10) Наматываем один виток провода на кольцо и определяем его длину Lв. Добавляем 1-2мм на угловое смещение провода при намотке.
11) По найденной максимальной длине провода Lпр и длине одного витка Lв вычисляем допустимое количество витков Nдоп.
12) Если Nдоп оказываеся меньше ранее посчитанного числа витков N, необходимо использовать провод с бОльшим сечением, либо наматывать в несколько проводов.
13) Если Nдоп>=N, оцениваем возможность намотки посчитанного числа витков. Для этого измеряем внутренний диаметр кольца d и смотрим выполняется ли неравенство:
pi*(d-Sпр)>=N*dпр,
где Sпр — площаль сечения предполагаемого к намотке провода,
dпр — диаметр предполагаемого к намотке провода.
14) Если неравенство не выполняется, значит необходимо наматывать в 2 или более слоя. Для маленьких колец с внутренним диаметром до 8мм я лично мотать в несколько слоев не советую. В этом случае лучше взять кольцо бОльших размеров, либо с бОльшей магнитной проницаемостью.

С сайта — _http://www. /comment/112509

Советы по проектированию понижающих преобразователей — http://peljou…/enews/2007/8/7

Прога для расчёта трансформаторов и дросселей 6мВ — http://brwbr. /…e=s2-Droselprog

Мэк Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению
лежит на сайте — http://www. electrotechnika. info/index. php?…down&id=177

Ещё статья — http://www. ferrite. /site/page-Trancf…tori_i_drocceli

Проектирование импульсных источников питания (ИИП). — http://megaohm. narod…S/smps_rus. html

Импульсные источники питания, все чаще встречающиеся в радиолюбительской практике благодаря высокому коэффициенту полезного действия, малым габаритам и весу, обычно требуют расчета одного или нескольких (по числу каскадов) трансформаторов. Это продиктовано тем, что приводимые в литературе значения числа витков, их диаметра, зачастую не совпадают с желаемыми выходными данными собираемого или проектируемого источника питания, либо имеющиеся в наличии у радиолюбителя ферритовые кольца или транзисторы не соответствуют приводимым в схеме.
В литературе приводилась упрощенная методика расчета трансформаторов импульсных источников питания. Общий порядок расчета трансформатора импульсного источника питания следующий:
1. Рассчитать (в Вт) используемую мощность трансформатора
Рисп.=1,ЗРн, где Рн — мощность, потребляемая нагрузкой.
2. Выбрать тороидальный ферритовый магнитопровод, удовлетворяющий условию Ргаб>Рисп., где Ргаб. — габаритная мощность трансформатора, Вт, вычисляемая как:

Где D — наружный диаметр ферритового кольца, см; d— внутренний диаметр; h — высота кольца; f — частота работы преобразователя, Гц; Вmах — максимальное значение индукции (в Тесла), которое зависит от марки феррита и определяется по справочнику.
3. Задавшись напряжением на первичной обмотке трансформатора
U1 определяют с округлением в большую сторону
число ее витков:

Для полумостового преобразователя U1=Uпит/2-UКЭнас, где Uпит — напряжение питания преобразователя, UКЭнас — напряжение насыщения коллектор — эмиттер транзисторов VT1, VT2.
4. Определяют максимальный ток первичной обмотки (в А):

Где η — КПД трансформатора (обычно 0,8).
5. Определяют диаметр провода первичной обмотки (в мм):

6. Находят число витков и диаметр провода выходной (вторичной) обмотки:

М.А. Шустов; «Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения»; «Альтекс-А», 2002г.

И все таки меня пригласили! Теперь дело со статьями пойдет более оперативно. Темой следующей части изначально я хотел сделать схемотехнику какого нибудь блока, а чего ждать? Но тут вспомнил свою школьную молодость и саму великую проблему с которой сталкивался — как изготовить неведомое для меня на тот момент зверя устройство — импульсный трансформатор . Прошло десять лет и я понимаю, что у многих (и не только начинающих) радиолюбителей, электронщиков и студентов возникают такие трудности — они попросту их боятся, а как следствие стараются избегать мощных импульсных источников питания (далее ИИП ).
После этих размышлений я пришел к выводу, что первая тема должна быть именно про трансформатор и ни о чем другом! Хотелось бы еще оговориться: что я подразумеваю под понятием «мощный ИИП» — это мощности от 1 кВт и выше или в случае любителей хотя бы 500 Вт.

Рисунок 1 — Вот такой трансформатор на 2 кВт для Н-моста у нас получится в итоге

Великая битва или какой материал выбрать? Когда-то внедрив в свой арсенал импульсную технику думал, что трансформаторы можно делать только на доступном всем феррите. Собрав первые конструкции первым делом решил выставить их на суд более опытных товарище и очень часто слышал такую фразу: «Ваш феррит гавно не самый лучший материал для импульсника» . Сразу я решил узнать у них какую же альтернативу можно ему противоспоставить и мне сказали — альсифер или как его еще называют синдаст.

Чем же он так хорош и действительно ли лучше феррита?

Для начала надо определиться что должен уметь почти идеальный материал для трансформатора:
1) должен быть магнитомягким , то есть легко намагничиваться и размагничиваться:


Рисунок 2 — Гистерезисные циклы ферромагнетиков: 1) жесткий цикл, 2) мягкий цикл

2) материал должен обладать как можно большей индукцией насыщения, что позволит либо уменьшить габариты сердечника, либо при их сохранение повысить мощность.

Насыщение

Явление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется.
В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.


3) материал должен иметь как можно меньшие потери на перемагничивание и токи Фуко

4) свойства материала не должны сильно изменяться при внешнем воздействии: механические усилия (сжатие или растяжение), изменение температуры и влажности.

Теперь рассмотрим свойства феррита и насколько он соответствует предъявленным выше требованиям.

Феррит — является полупроводником, а значит обладает собственным высоким электрическим сопротивлением. Это означает, что на высоких частотах потери на вихревые токи (токи Фуко ) будут достаточно низкими. Получается как минимум одно условия из списка выше у нас уже выполнено. Идем дальше…
Ферриты бывают термостабильными и не стабильными, но этот параметр не является определяющим для ИИП. Важно то, что ферриты работают стабильно в температурном диапазоне от -60 и до +100 о С и это у самый простых и дешевых марок.


Рисунок 3 — Кривая намагничивания на частоте 20 кГц при разных температурах

И наконец-то самый главный пункт — на графике выше мы увидели параметр, который будет определять практически все — индукция насыщения . Для феррита она обычно принимается 0,39 Тл. Стоит запомнить, что при разных условиях — этот параметр будет меняться. Он зависит как от частоты, так и от температуры работы и от других параметров, но особый акцент стоит сделать на первых двух.

Вывод: феррит ништяк! отлично подходит для наших задач.

Несколько слов об альсифере и чем он отличается

1) альсифер работает в чуть большем широком спектре температур: от -60 и до +120 о С — подходит? Еще лучше чем феррит!
2) коэффициент потерь на гистерезис у альсиферов постоянный лишь в слабых полях (при малой мощности), в мощном поле они растут и очень сильно — это очень серьезный минус, особенно на мощностях более 2 кВт, так что тут проигрывает.
3) индукция насыщения до 1,2 Тл! , в 4 раза больше чем у феррита! — главный параметр и так обгоняет, но не все так просто… Конечно это достоинство никуда не уйдет, но пункт 2 ослабляет его и очень сильно — определенно плюс.

Вывод: альсифер лучше чем феррит, в этом дядьке мне не соврали.

Результат битвы: любой прочитав описание выше скажет альсифер нам подавай! И правильно… но попробуйте найти сердечник из альсифера и чтобы с габаритной мощностью 10 кВт? Тут обычно человек приходит в тупик, оказывается их и нету особо в продаже, а если и есть, то на заказ напрямую у производителя и цена вас испугает.
Получается используем феррит, тем более если оценивать в целом, то он проигрывает очень незначительно… феррит оценивается относительно альсифера в «8 из 10 попугаев».

Хотел я обратиться к своему любимому матану, но решил этого не делать, т.к. +10 000 знаков к статье считаю избыточным. Могу лишь посоветовать книгу с очень хорошими расчетами авторства Б. Семенова «Силовая электроника: от простому к сложному». Смысла пересказывать его выкладки с некими добавлениями смысла не вижу

Итак, приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора Первым делом хочется сразу вспомнить очень серьезный момент — зазор в сердечнике. Он может «убить» всю мощность или добавить еще так на 30-40%. Хочу напомнить, что делаем мы трансформатор для Н-моста , а он относится к — прямоходовым преобразователям (forward по-буржуйский). Это значит, что зазор в идеале должен быть 0 мм.
Как-то раз, обучаясь курсе на 2-3 решил собрать сварочный инвертор, обратился к топологии инверторов Kemppi. Там я увидел в трансформаторах зазор 0,15 мм. Стало интересно для чего же он. Подходить к преподавателям не стал, а взял и позвонил в российское представительство Kemppi! А что терять? На моей удивление меня соединили с инженером-схемотехником и он рассказал мне несколько теоретических моментов, которые позволили мне «выползти» за потолок в 1 кВт.
Если в кратце зазор в 0,1-0,2 мм просто необходим! Это увеличивает скорость размагничивания сердечника, что позволяет прокачать через трансформатор большую мощность. Максимальный эффект от такого финта ушами зазора достиг в топологии «косой мост» , там введение зазор 0,15 мм дает прирост 100%! В нашем Н-мосту эта прибавка скромнее, но 40-60% думаю тоже не дурно.

Для изготовления трансформатора нам понадобится вот такой набор:

А)
Рисунок 4 — Ферритовый сердечник Е70/33/32 из материала 3С90 (чуть лучший аналог N87)

Б)
Рисукок 5 — Каркас для сердечника Е70/33/32 (тот что больше) и дроссель D46 из распыленного железа

Габаритная мощность такого трансформатора составляет 7,2 кВт. Такой запас нам нужен для обеспечения пусковых токов в 6-7 раз больше номинальных (600% по ТЗ). Такие пусковые токи правда бывают лишь у асинхронных двигателей, но учесть необходимо все!
Неожиданно «всплыл» некий дроссель, он понадобится в нашей дальнейшей схеме (аж 5 штук) и поэтому решил показать как и его наматывать.

Далее необходимо посчитать параметры намотки. Я использую программу от известного в определенных кругах товарища Starichok51 . Человек с огромными знаниями и всегда готовый учить и помогать, за что ему спасибо — в своей время помог встать на путь истинный. Называется программа — ExcellentIT 8.1 .

Привожу пример расчета на 2 кВт:


Рисунок 6 — Расчет импульсного трансформатора по мостовой схеме на 2 кВт повышающий

Как производить расчет: 1) Выделено красным. Это вводные параметры, которые обычно выставляются по умолчанию:
а) максимальная индукция. Помните для феррита она 0,39 Тл, но у нас трансформатор работает на достаточно высокой частоте, поэтому программа выставляет 0,186 сама. Это индукция насыщения в саааамых плохих условиях, включая нагрев до 125 градусов
б) частота преобразования, она задается нами и чем она определяется на схеме будет в следующих статьях. Частота эта должна быть от 20 до 120 кГц. Если меньше — мы будет слышать работу транса и свист, если выше , то наши ключи (транзисторы) будут иметь большие динамические потери. А IGBT ключи даже дорогие работают до 150 кГц
в) коэф. заполнения окна — важный параметр, ибо место на каркасе и сердечнике ограничено, не стоит его делать больше 0,35 иначе обмотки не влезут
г) плотность тока — этот параметр может быть до 10 А/мм 2 . Это максимальный ток, который может протекать через проводник. Оптимальное значение 5-6 А/мм 2 — в условиях жесткой эксплуатации: плохое охлаждение, постоянная работа на предельной нагрузке и прочее. 8-10 А/мм 2 — можно ставить если у вас устройство идеально вентилируется и стоит over 9000 несколько куллеров.
д) питание на входе. Т.к. мы рассчитываем трансформатор для DC->DC 48В в 400В, то ставим входное напряжение как в расчете. Откуда цифра взялась. В разряженном состоянии аккумулятор отдает 10.5В, дальше разряжать — снижать срок службы, умножаем на количество батарей (4 шт) и получаем 42В. Возьмем с запасом 40В. 48В берется из произведения 12В * 4 шт. 58В берется из соображения, что в заряженном состоянии батарея имеет напряжение 14,2-14,4В и по аналогии умножаем на 4.

2) Выделено синим.
а) ставим 400В, т.к. это запас для обратной связи по напряжению и для нарезки синуса необходимо минимум 342В
б) номинальный ток. Выбираем из соображения 2400 Вт / 220(230) В = 12А. Как видите везде я беру запас не менее 20%. Так поступает любой уважающий себя производитель качественной техники. В СССР такой запас был эталонный 25% даже для самых сложных условий. Почему 220(230)В — это напряжение на выходе уже чистого синуса.
в) минимальный ток. Выбирается из реальных условий, этот параметр влияет на размер выходного дросселя, поэтому чем больше минимальный ток, тем меньше дроссель, а значит и дешевле устройство. Я опять же выбрал худший вариант 1А, это ток на 2-3 лампочки или 3-4 роутеров.
г) падение на диодах. Т.к. у нас на выходе будут диоды быстродействующие (ultra-fast), то падение на них 0.6В в худших условиях (превышена температура).
д) диаметр провода. У меня некогда купленная катушка меди 20 кг на такой случай и как раз с диаметром 1 мм. Тут ставим тот, который у вас есть. Только более 1,18 мм ставить не советую, т.к. начнет сказываться скин-эффект

Скин-эффект

Скин-эффект — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Если говорить не как гугл, а моим колхозным языком, то если взять проводник большого сечения, то он не будет использоваться полностью, т.к. токи на большей частоте протекают по поверхности, а центр проводника будет «пустой»

3) Выделено зеленым. Тут все просто — топология у нас планируется «полный мост» и выбираем ее.

4) Выделено оранжевым. Происходит процесс выбора сердечника, все интуитивно понятно. Большое количество стандартных сердечников уже есть в библиотеки, как и наш, но если что можно и добавить путем ввода габаритов.

5) Выделено фиолетовым. Выходные параметры с расчетами. Отдельным окном выделил коэф. заполнения окна, помните — не более 0,35, а лучше не более 0,3. Так же даны все необходимые значения: количество витков для первичной и вторичной обмотки, количество проводов ранее заданного диаметра в «косе» для намотки.
Так же даны параметры для дальнейшего расчета выходного дросселя: индуктивность и пульсации напряжения.

Теперь необходимо рассчитать выходной дроссель. Нужен он чтобы сгладить пульсации, а так же чтобы создать «равномерный» ток. Расчет проводится в программе того же автора и называется она DrosselRing 5.0 . Расчет для нашего трансформатора приведу:


Рисунок 7 — Расчет выходного дросселя для повышающего DC-DC преобразователя

В данном расчете все проще и понятнее, работает по тому же принципу, выходные данные: количество витков и количество проводов в косе.

Стадии изготовления Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора и дросселя.
Главное правило намотки импульсного трансформатора — все без исключения обмотки должны быть намотаны в одну сторону!

Стадия 1:

Рисунок 8 — Процесс намотки вторичной (высоковольтной) обмотки

Мотаем на каркас необходимое число витков в 2 провода диаметром 1 мм. Запоминаем направление намотки, а лучше отмечаем маркером на каркасе.

Стадия 2:

Рисунок 9 — Изолируем вторичную обмотку

Изолируем вторичную обмотку фторопластовой лентой толщиной 1 мм, такая изоляция выдерживает не менее 1000 В. Так же дополнительно пропитываем лаком, это еще +600В к изоляции. Если нету фторопластовой ленты, то изолируем обычным сантехническим фумом в 4-6 слоев. Это тот же фторопласт, только 150-200 мкм толщиной.

Стадия 3:

Рисунок 10 — Начинаем мотать первичную обмотку, распаиваем провода на каркас
Намотку проводим в одну сторону со вторичной обмоткой!

Стадия 4:

Рисунок 11 — Выводим хвост первичной обмотки

Доматывает обмотку, изолируем ее так же фторопластовой лентой. Желательно еще и пропитать лаком.

Стадия 5:


Рисунок 12 — Пропитываем лаком и распаиваем «хвост». Намотка обмоток окончена
Стадия 6:

Рисунок 13 — Завершаем намотку и изоляцию трансформатора киперной лентой с окончательной пропиткой в лаке

Киперная лента

Киперная лента — хлопчатобумажная (реже шёлковая или полушелковая) тесьма из киперной ткани шириной от 8 до 50 мм, саржевого или диагонального переплетения; суровая, отбельная или гладкокрашеная. Материал ленты отличается высокой плотностью за счет переплетения, он толще, чем у своего ближайшего аналога — миткалевой ленты — из-за использования более толстых нитей.
Спасибо википедии.

Стадия 7:

Рисунок 14 — Так выглядит законченный вариант трансформатора

Зазор 0,15 мм устанавливается в процессе склеивания, путем вкладывания между половинками сердечника подходящей пленки. Лучший вариант — пленка для печати. Сердечник склеивается клеем моментом (хорошим) или эпоксидной смолой. 1-й вариант на века, 2-й позволяет в случае чего разобрать трансформатор без повреждений, например, если понадобится домотать еще обмотку или добавить витков.

Намотка дросселя

Теперь по аналогии необходимо намотать дроссель, конечно мотать на тороидальном сердечнике сложнее, но такой вариант будет компактнее. Все данные у нас имеются из программы, материал сердечника распыленное железо или пермаллой. Индукция насыщения у данного материала 0,55 Тл.

Стадия 1:


Рисунок 15 — Обматываем кольцо фторопластовой лентой

Эта операция позволяет избежать случая с пробоем обмотки на сердечник, это бывает редко, но мы же за качество и делаем для себя!

Стадия 2:

Рисунок 16 — Наматываем нужное количество витков и изолируем

В данном случае количество витков не уместится в один слой намотки, поэтому необходимо после намотки первого слоя произолировать и намотать второй слой с последующей изоляцией.
ИИП Добавить метки

И все таки меня пригласили! Теперь дело со статьями пойдет более оперативно. Темой следующей части изначально я хотел сделать схемотехнику какого нибудь блока, а чего ждать? Но тут вспомнил свою школьную молодость и саму великую проблему с которой сталкивался — как изготовить неведомое для меня на тот момент зверя устройство — импульсный трансформатор . Прошло десять лет и я понимаю, что у многих (и не только начинающих) радиолюбителей, электронщиков и студентов возникают такие трудности — они попросту их боятся, а как следствие стараются избегать мощных импульсных источников питания (далее ИИП ).
После этих размышлений я пришел к выводу, что первая тема должна быть именно про трансформатор и ни о чем другом! Хотелось бы еще оговориться: что я подразумеваю под понятием «мощный ИИП» — это мощности от 1 кВт и выше или в случае любителей хотя бы 500 Вт.

Рисунок 1 — Вот такой трансформатор на 2 кВт для Н-моста у нас получится в итоге

Великая битва или какой материал выбрать?

Когда-то внедрив в свой арсенал импульсную технику думал, что трансформаторы можно делать только на доступном всем феррите. Собрав первые конструкции первым делом решил выставить их на суд более опытных товарище и очень часто слышал такую фразу: «Ваш феррит гавно не самый лучший материал для импульсника» . Сразу я решил узнать у них какую же альтернативу можно ему противоспоставить и мне сказали — альсифер или как его еще называют синдаст.

Чем же он так хорош и действительно ли лучше феррита?

Для начала надо определиться что должен уметь почти идеальный материал для трансформатора:
1) должен быть магнитомягким , то есть легко намагничиваться и размагничиваться


Рисунок 2 — Гистерезисные циклы ферромагнетиков: 1) жесткий цикл, 2) мягкий цикл

2) материал должен обладать как можно большей индукцией насыщения, что позволит либо уменьшить габариты сердечника, либо при их сохранение повысить мощность

Насыщение

Явление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется.
В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.

3) материал должен иметь как можно меньшие потери на перемагничивание и токи Фуко

4) свойства материала не должны сильно изменяться при внешнем воздействии: механические усилия (сжатие или растяжение), изменение температуры и влажности.

Теперь рассмотрим свойства феррита и насколько он соответствует предъявленным выше требованиям.

Феррит — является полупроводником, а значит обладает собственным высоким электрическим сопротивлением. Это означает, что на высоких частотах потери на вихревые токи (токи Фуко ) будут достаточно низкими. Получается как минимум одно условия из списка выше у нас уже выполнено. Идем дальше…
Ферриты бывают термостабильными и не стабильными, но этот параметр не является определяющим для ИИП. Важно то, что ферриты работают стабильно в температурном диапазоне от -60 и до +100 о С и это у самый простых и дешевых марок.


Рисунок 3 — Кривая намагничивания на частоте 20 кГц при разных температурах

И наконец-то самый главный пункт — на графике выше мы увидели параметр, который будет определять практически все — индукция насыщения . Для феррита она обычно принимается 0,39 Тл. Стоит запомнить, что при разных условиях — этот параметр будет меняться. Он зависит как от частоты, так и от температуры работы и от других параметров, но особый акцент стоит сделать на первых двух.

Вывод: феррит ништяк! отлично подходит для наших задач.

Несколько слов об альсифере и чем он отличается

1) альсифер работает в чуть большем широком спектре температур: от -60 и до +120 о С — подходит? Еще лучше чем феррит!
2) коэффициент потерь на гистерезис у альсиферов постоянный лишь в слабых полях (при малой мощности), в мощном поле они растут и очень сильно — это очень серьезный минус, особенно на мощностях более 2 кВт, так что тут проигрывает.
3) индукция насыщения до 1,2 Тл! , в 4 раза больше чем у феррита! — главный параметр и так обгоняет, но не все так просто… Конечно это достоинство никуда не уйдет, но пункт 2 ослабляет его и очень сильно — определенно плюс.

Вывод: альсифер лучше чем феррит, в этом дядьке мне не соврали.

Результат битвы: любой прочитав описание выше скажет альсифер нам подавай! И правильно… но попробуйте найти сердечник из альсифера и чтобы с габаритной мощностью 10 кВт? Тут обычно человек приходит в тупик, оказывается их и нету особо в продаже, а если и есть, то на заказ напрямую у производителя и цена вас испугает.
Получается используем феррит, тем более если оценивать в целом, то он проигрывает очень незначительно… феррит оценивается относительно альсифера в «8 из 10 попугаев».

Хотел я обратиться к своему любимому матану, но решил этого не делать, т.к. +10 000 знаков к статье считаю избыточным. Могу лишь посоветовать книгу с очень хорошими расчетами авторства Б. Семенова «Силовая электроника: от простому к сложному». Смысла пересказывать его выкладки с некими добавлениями смысла не вижу

И так приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора

Первым делом хочется сразу вспомнить очень серьезный момент — зазор в сердечнике. Он может «убить» всю мощность или добавить еще так на 30-40%. Хочу напомнить, что делаем мы трансформатор для Н-моста , а он относится к — прямоходовым преобразователям (forward по-буржуйский). Это значит, что зазор в идеале должен быть 0 мм.
Как-то раз, обучаясь курсе на 2-3 решил собрать сварочный инвертор, обратился к топологии инверторов Kemppi. Там я увидел в трансформаторах зазор 0,15 мм. Стало интересно для чего же он. Подходить к преподавателям не стал, а взял и позвонил в российское представительство Kemppi! А что терять? На моей удивление меня соединили с инженером-схемотехником и он рассказал мне несколько теоретических моментов, которые позволили мне «выползти» за потолок в 1 кВт.
Если в кратце зазор в 0,1-0,2 мм просто необходим! Это увеличивает скорость размагничивания сердечника, что позволяет прокачать через трансформатор большую мощность. Максимальный эффект от такого финта ушами зазора достиг в топологии «косой мост» , там введение зазор 0,15 мм дает прирост 100%! В нашем Н-мосту эта прибавка скромнее, но 40-60% думаю тоже не дурно.

Для изготовления трансформатора нам понадобится вот такой набор:

а)
Рисунок 4 — Ферритовый сердечник Е70/33/32 из материала 3С90 (чуть лучший аналог N87)

б)
Рисукок 5 — Каркас для сердечника Е70/33/32 (тот что больше) и дроссель D46 из распыленного железа

Габаритная мощность такого трансформатора составляет 7,2 кВт. Такой запас нам нужен для обеспечения пусковых токов в 6-7 раз больше номинальных (600% по ТЗ). Такие пусковые токи правда бывают лишь у асинхронных двигателей, но учесть необходимо все!
Неожиданно «всплыл» некий дроссель, он понадобится в нашей дальнейшей схеме (аж 5 штук) и поэтому решил показать как и его наматывать.

Далее необходимо посчитать параметры намотки. Я использую программу от известного в определенных кругах товарища Starichok51 . Человек с огромными знаниями и всегда готовый учить и помогать, за что ему спасибо — в своей время помог встать на путь истинный. Называется программа — ExcellentIT 8.1 .

Привожу пример расчета на 2 кВт:


Рисунок 6 — Расчет импульсного трансформатора по мостовой схеме на 2 кВт повышающий

Как производить расчет:

1) Выделено красным. Это вводные параметры, которые обычно выставляются по умолчанию:
а) максимальная индукция. Помните для феррита она 0,39 Тл, но у нас трансформатор работает на достаточно высокой частоте, поэтому программа выставляет 0,186 сама. Это индукция насыщения в саааамых плохих условиях, включая нагрев до 125 градусов
б) частота преобразования, она задается нами и чем она определяется на схеме будет в следующих статьях. Частота эта должна быть от 20 до 120 кГц. Если меньше — мы будет слышать работу транса и свист, если выше , то наши ключи (транзисторы) будут иметь большие динамические потери. А IGBT ключи даже дорогие работают до 150 кГц
в) коэф. заполнения окна — важный параметр, ибо место на каркасе и сердечнике ограничено, не стоит его делать больше 0,35 иначе обмотки не влезут
г) плотность тока — этот параметр может быть до 10 А/мм 2 . Это максимальный ток, который может протекать через проводник. Оптимальное значение 5-6 А/мм 2 — в условиях жесткой эксплуатации: плохое охлаждение, постоянная работа на предельной нагрузке и прочее. 8-10 А/мм 2 — можно ставить если у вас устройство идеально вентилируется и стоит over 9000 несколько куллеров.
д) питание на входе. Т.к. мы рассчитываем трансформатор для DC->DC 48В в 400В, то ставим входное напряжение как в расчете. Откуда цифра взялась. В разряженном состоянии аккумулятор отдает 10.5В, дальше разряжать — снижать срок службы, умножаем на количество батарей (4 шт) и получаем 42В. Возьмем с запасом 40В. 48В берется из произведения 12В * 4 шт. 58В берется из соображения, что в заряженном состоянии батарея имеет напряжение 14,2-14,4В и по аналогии умножаем на 4.

2) Выделено синим.
а) ставим 400В, т.к. это запас для обратной связи по напряжению и для нарезки синуса необходимо минимум 342В
б) номинальный ток. Выбираем из соображения 2400 Вт / 220(230) В = 12А. Как видите везде я беру запас не менее 20%. Так поступает любой уважающий себя производитель качественной техники. В СССР такой запас был эталонный 25% даже для самых сложных условий. Почему 220(230)В — это напряжение на выходе уже чистого синуса.
в) минимальный ток. Выбирается из реальных условий, этот параметр влияет на размер выходного дросселя, поэтому чем больше минимальный ток, тем меньше дроссель, а значит и дешевле устройство. Я опять же выбрал худший вариант 1А, это ток на 2-3 лампочки или 3-4 роутеров.
г) падение на диодах. Т.к. у нас на выходе будут диоды быстродействующие (ultra-fast), то падение на них 0.6В в худших условиях (превышена температура).
д) диаметр провода. У меня некогда купленная катушка меди 20 кг на такой случай и как раз с диаметром 1 мм. Тут ставим тот, который у вас есть. Только более 1,18 мм ставить не советую, т.к. начнет сказываться скин-эффект

Скин-эффект

Скин-эффект — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Если говорить не как гугл, а моим колхозным языком, то если взять проводник большого сечения, то он не будет использоваться полностью, т.к. токи на большей частоте протекают по поверхности, а центр проводника будет «пустой»

3) Выделено зеленым. Тут все просто — топология у нас планируется «полный мост» и выбираем ее.

4) Выделено оранжевым. Происходит процесс выбора сердечника, все интуитивно понятно. Большое количество стандартных сердечников уже есть в библиотеки, как и наш, но если что можно и добавить путем ввода габаритов.

5) Выделено фиолетовым. Выходные параметры с расчетами. Отдельным окном выделил коэф. заполнения окна, помните — не более 0,35, а лучше не более 0,3. Так же даны все необходимые значения: количество витков для первичной и вторичной обмотки, количество проводов ранее заданного диаметра в «косе» для намотки.
Так же даны параметры для дальнейшего расчета выходного дросселя: индуктивность и пульсации напряжения.

Теперь необходимо рассчитать выходной дроссель. Нужен он чтобы сгладить пульсации, а так же чтобы создать «равномерный» ток. Расчет проводится в программе того же автора и называется она DrosselRing 5.0 . Расчет для нашего трансформатора приведу:


Рисунок 7 — Расчет выходного дросселя для повышающего DC-DC преобразователя

В данном расчете все проще и понятнее, работает по тому же принципу, выходные данные: количество витков и количество проводов в косе.

Стадии изготовления

Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора и дросселя.
Главное правило намотки импульсного трансформатора — все без исключения обмотки должны быть намотаны в одну сторону!

Стадия 1:

Рисунок 8 — Процесс намотки вторичной (высоковольтной) обмотки

Мотаем на каркас необходимое число витков в 2 провода диаметром 1 мм. Запоминаем направление намотки, а лучше отмечаем маркером на каркасе.

Стадия 2:

Рисунок 9 — Изолируем вторичную обмотку

Изолируем вторичную обмотку фторопластовой лентой толщиной 1 мм, такая изоляция выдерживает не менее 1000 В. Так же дополнительно пропитываем лаком, это еще +600В к изоляции. Если нету фторопластовой ленты, то изолируем обычным сантехническим фумом в 4-6 слоев. Это тот же фторопласт, только 150-200 мкм толщиной.

Стадия 3:

Рисунок 10 — Начинаем мотать первичную обмотку, распаиваем провода на каркас
Намотку проводим в одну сторону со вторичной обмоткой!

Стадия 4:

Рисунок 11 — Выводим хвост первичной обмотки

Доматывает обмотку, изолируем ее так же фторопластовой лентой. Желательно еще и пропитать лаком.

Стадия 5:


Рисунок 12 — Пропитываем лаком и распаиваем «хвост». Намотка обмоток окончена
Стадия 6:

Рисунок 13 — Завершаем намотку и изоляцию трансформатора киперной лентой с окончательной пропиткой в лаке

Киперная лента

Киперная лента — хлопчатобумажная (реже шёлковая или полушелковая) тесьма из киперной ткани шириной от 8 до 50 мм, саржевого или диагонального переплетения; суровая, отбельная или гладкокрашеная. Материал ленты отличается высокой плотностью за счет переплетения, он толще, чем у своего ближайшего аналога — миткалевой ленты — из-за использования более толстых нитей.
Спасибо википедии.

Стадия 7:


Рисунок 14 — Так выглядит законченный вариант трансформатора

Зазор 0,15 мм устанавливается в процессе склеивания, путем вкладывания между половинками сердечника подходящей пленки. Лучший вариант — пленка для печати. Сердечник склеивается клеем моментом (хорошим) или эпоксидной смолой. 1-й вариант на века, 2-й позволяет в случае чего разобрать трансформатор без повреждений, например, если понадобится домотать еще обмотку или добавить витков.

Намотка дросселя

Теперь по аналогии необходимо намотать дроссель, конечно мотать на тороидальном сердечнике сложнее, но такой вариант будет компактнее. Все данные у нас имеются из программы, материал сердечника распыленное железо или пермаллой. Индукция насыщения у данного материала 0,55 Тл.

Стадия 1:


Рисунок 15 — Обматываем кольцо фторопластовой лентой

Эта операция позволяет избежать случая с пробоем обмотки на сердечник, это бывает редко, но мы же за качество и делаем для себя!

Стадия 2:

Рисунок 16 — Наматываем нужное количество витков и изолируем

В данном случае количество витков не уместится в один слой намотки, поэтому необходимо после намотки первого слоя произолировать и намотать второй слой с последующей изоляцией.

Стадия 3:

Рисунок 17 — Изолируем после второго слоя и пропитываем лаком

Эпилог

Надеюсь моя статья научит вас процессу расчету и изготовлению импульсного трансформатора, а так же даст вам некоторые теоретические понятия о его работе и материалах из которого он изготавливается. Постарался не нагружать данную часть излишней теорией, все на минимуму и сосредоточиться исключительно на практических моментах. И самое главное на ключевых особенностях, которые влияют на работоспособность, таких как зазор, направления намотки и прочее.
Продолжение следует…

Двухтактный преобразователь — преобразователь напряжения, использующий импульсный трансформатор. Коэффициент трансформации трансформатора может быть произвольным. Несмотря на то, что он фиксирован, во многих случаях может варьироваться ширина импульса, что расширяет доступный диапазон стабилизации напряжения. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота и возможность наращивания мощности.

В правильно сконструированном двухтактном преобразователе постоянный ток через обмотку и подмагничивание сердечника отсутствуют. Это позволяет использовать полный цикл перемагничивания и получить максимальную мощность.

Следующая упрощенная методика позволяет рассчитать основные параметры импульсного трансформатора выполненного на кольцевом магнитопроводе.

  1. Расчет габаритной мощности трансформатора

где Sc — площадь поперечного сечения магнитопровода, см2; Sw — площадь окна сердечника, см2; f — f — частота колебаний, Гц; Bмах — допустимое значение индукции для отечественных никель-марганцевых и никель-цинковых ферритов на частотах до 100 кГц.

Граничные частоты и величины индукции широко распространённых ферритов

Марганец-цинковые ферриты.
Параметр Марка феррита
6000НМ 4000НМ 3000НМ 2000НМ 1500НМ 1000НМ
0,005 0,1 0,2 0,45 0,6 1,0
0,35 0,36 0,38 0,39 0,35 0,35
Никель-цинкове ферриты.
Параметр Марка феррита
200НН 1000НН 600НН 400НН 200НН 100НН
Граничная частота при tg δ ≤ 0,1, МГц 0,02 0,4 1,2 2,0 3,0 30
Магнитная индукция B при Hм = 800 А / м, Тл 0,25 0,32 0,31 0,23 0,17 0,44

Для расчета площади поперечного сечения магнитопровода и площади окна сердечника магнитопровода используются следующие формулы:

Sc = (D — d) ⋅ h / 2

Sw=(d / 2)2 π

где D — наружный диаметр ферритового кольца, см; d — внутренний диаметр; h — высота кольца;

2. Расчет максимальной мощности трансформатора

Максимальную мощность трансформатора выбираем 80% от габаритной:

Pмах = 0,8 Pгаб

3. Расчет минимального числа витков первичной обмотки W1

Минимальное число витков первичной обмотки W1 определяется максимальным напряжением на обмотке U1 и допустимой индукцией сердечника Bмах:

4. Расчет эффективного значения тока первичной обмотке:

Эффективное значение тока первичной обмотки рассчитывается по формуле:

I1 = Pмах / Uэфф

При этом следует учитывать, что Uэфф = U1 / 1,41 = 0,707U1, так как Uэфф это действующее значение напряжения, а U1 максимальное значение напряжения.

5. Расчет диаметра провода в первичной обмотке:

где I1 — эффективное значение тока в первичной обмотке, A ; j — плотность тока, А/мм2;

Плотность тока зависит от мощности трансформатора, рассеиваемое количество теплоты пропорционально площади обмотки и перепаду температур между ней и средой. С увеличением размера трансформатора объем растет быстрее площади и для одинакового перегрева удельные потери и плотность тока надо уменьшать. Для трансформаторов мощностью 4..5 кВА плотность тока не превышает 1..2 А/мм².

Для справки в таблице приведены данные плотности тока в зависимости от мощности трансформатора

Pн, Вт 1 .. 7 8 .. 15 16 .. 40 41 .. 100 101 .. 200
j, А/мм 2 7 .. 12 6 .. 8 5 .. 6 4 .. 5 4 .. 4,5

6. Эффективное значение тока вторичной обмотки (I2), кол-во витков во вторичной обмотке (W2) и диаметр провода во вторичной обмотке (d2) рассчитывается по следующим формулам:

I2 = Pмах / U2эфф

где Uвых — выходное напряжение вторичной обмотки, Рмах — максимальная выходная мощность трансформатора, так же следует учитывать, что значение Pмах можно заменить на мощность нагрузки при условии, что мощность нагрузки будет меньше максимальной выходной мощности трансформатора.

W2 = (U2эфф*W1) / Uэфф

Исходя из всех выше перечисленных формул (с учетом плотности тока зависящим от мощности трансформатора) можно примерно рассчитать основные параметры импульсного трансформатора, для удобства рассчетов можно воспользоваться онлайн калькулятором.

Данная статья является упрощенной методикой расчета импульсного трансформатора для двухтактного преобразователя, все формулы и онлайн-калькулятор позволяют рассчитать примерные намоточные данные импульсного трансформатора , так как трансформатор имеет много взаимозависимых параметров.

При обнаружении ошибок в формулах, методике их применения и другие замечания просьба оставлять в комментариях.

После определения диаметра провода, следует учитывать, что диаметр провода рассчитывается без изоляции, воспользуйтесь таблицей данных обмоточных проводов для определения диаметра провода с изоляцией.

Таблица данных обмоточных проводов.

Диаметр без изоляции, мм

Сечение меди, мм²

Диаметр с изоляцией, мм

0,03 0,0007 0,045
0,04 0,0013 0,055
0,05 0,002 0,065
0,06 0,0028 0,075
0,07 0,0039 0,085
0,08 0,005 0,095
0,09 0,0064 0,105
0,1 0,0079 0,12
0,11 0,0095 0,13
0,12 0,0113 0,14
0,13 0,0133 0,15
0,14 0,0154 0,16
0,15 0,0177 0,17
0,16 0,0201 0,18
0,17 0,0227 0,19
0,18 0,0255 0,2
0,19 0,0284 0,21
0,2 0,0314 0,225
0,21 0,0346 0,235
0,23 0,0416 0,255
0,25 0,0491 0,275
0,27 0,0573 0,31
0,29 0,0661 0,33
0,31 0,0755 0,35
0,33 0,0855 0,37
0,35 0,0962 0,39
0,38 0,1134 0,42
0,41 0,132 0,45
0,44 0,1521 0,49
0,47 0,1735 0,52
0,49 0,1885 0,54
0,51 0,2043 0,56
0,53 0,2206 0,58
0,55 0,2376 0,6
0,57 0,2552 0,62
0,59 0,2734 0,64
0,62 0,3019 0,67
0,64 0,3217 0,69
0,67 0,3526 0,72
0,69 0,3739 0,74
0,72 0,4072 0,78
0,74 0,4301 0,8
0,77 0,4657 0,83
0,8 0,5027 0,86
0,83 0,5411 0,89
0.86 0,5809 0,92
0,9 0,6362 0,96
0,93 0,6793 0,99
0,96 0,7238 1,02
1 0,7854 1,07
1,04 0,8495 1,12
1,08 0,9161 1,16
1,12 0,9852 1,2
1,16 1,057 1,24
1,2 1,131 1,28
1,25 1,227 1,33
1,3 1,327 1,38
1,35 1,431 1,43
1,4 1,539 1,48
1,45 1,651 1,53
1,5 1,767 1,58
1,56 1,911 1,64
1,62 2,061 1,71
1,68 2,217 1,77
1,74 2,378 1,83
1,81 2,573 1,9
1,88 2,777 1,97
1,95 2,987 2,04
2,02 3,205 2,12
2,1 3,464 2,2
2,26 4,012 2,36

Намотка импульсного трансформатора своими руками

Приветствую, Самоделкины!
В этой статье речь пойдет о том, как правильно мотать импульсный трансформатор.

Автор YouTube канала «Open Frime TV» Роман, не так давно собирал импульсный блок питания на микросхеме IR2153, а сейчас он расскажет, как самостоятельно намотать импульсный трансформатор для самодельного блока питания.

Так уж сложилось, что первый намотанный автором трансформатор был на ферритовом кольце, и после этого он уже не мог мотать на ш-образных, и на то есть несколько причин. Первое — это относительно небольшое место намотки ш-образных сердечников, а у тороидальных же можно растянуть по всему кольцу. И отсюда появляется вторая проблема, если намотали много витков, то потом закрыть половинки сердечника сложно.


Да, вы можете сказать, что обратной стороной медали будет распространенность таких сердечников в блоках питания компьютера, но вы попробуйте сначала разберите нормально сердечник, не сломав его. Хотя уже было экспериментально доказано, что поломанный сердечник после склейки работает так же, как и новый, но душе спокойнее, когда используется цельный феррит.

Еще одно, при одинаковых размерах ферритовое кольцо имеет большую мощность, чем ш-образный сердечник. Вот к примеру, несколько сердечников. Ш-образный может выдать мощность 150-180Вт, а примерно такой же по размеру тороид может выдать 250Вт.

Для сравнения, вот еще один тороид, который всего на 1 см больше предыдущего, а этот уже может выдать 600Вт мощности.

Автор надеется, что приведенные им доводы были весьма вескими, и советует переходить на намотку трансформаторов на тороидальные сердечники. Ну а теперь собственно переходим к намотке. Для этого нам понадобится сердечник. Они бывают разных типов. Вот такие, еще производства СССР и вот такие сделанные в Китае:


Можно использовать как те, так и другие. У сердечников, изготовленных в Советском Союзе должна быть маркировка 2000НМ, а при выборе китайских необходимо следить за проницаемостью, она должна быть в районе 2000-2200.


С этим разобрались, идем дальше. Как видим, китайские сердечники уже покрыты краской и по сути можно мотать прямо на сердечник без изоляции.

Но тогда провод будет скользить по поверхности. Если вас, как и автора такое не устраивает, то для изоляции можно использовать вот такую желтую высоковольтную майларовую ленту:

Или же можно использовать вот такой термоскотч:

Применять в данном случае классическую синюю изоленту крайне нежелательно, так как при нагреве она сильно задерживает тепло. Перед изготовлением трансформатора вы уже знаете какое напряжение и мощность он должен выдать. Вот и автор придумал себе следующее техническое задание: необходимо намотать трансформатор на 24В, мощностью 80Вт для будущего проекта паяльной станции.

С расчетами нам поможет следующая программа:

Ссылку на нее автор оставил в описании под видеороликом (ссылка ИСТОЧНИК в конце статьи). В программе водим необходимое значение. Если делаете импульсный блок питания по схеме автора, то просто повторяете действия как на экране (более подробно это показано в видеоролике автора внизу страницы).

Отличия будут в нескольких параметрах. Первое — это частота.


Она зависит от номинала вот этого резистора:

Посчитать ее можно в онлайн калькуляторе. Сюда достаточно забить номинал конденсатора и резистора. На выходе получим частоту.

Также у вас будут свои выходные напряжения и диаметры проводов.

Когда разобрались с данными приступаем к выбору сердечника. Если у вас есть в наличие сердечники, то замеряем их размер с помощью линейки или штангенциркуля, а потом ищем в программе такой же типоразмер. Когда указали свой сердечник, программа покажет габаритную мощность, и вы уже понимаете подходит он или нужно искать новый.


Если в наличии нет сердечников, то просто начните перебирать разные размеры. Таким образом находим нужный сердечник, а потом остается только купить его в магазине. Надеюсь, вам стал понятен принцип выбора сердечников. У автора в наличии были сердечники с минимальной мощностью 250Вт, их можно спокойно использовать. Да, будет небольшой перерасход материала, но это не страшно, лучше большая мощность, чем меньшая.

Автор решил использовать сердечник с заведомо большей мощности, потому что на нем будет нагляднее видно процесс намотки. Когда ввели все данные в программу, нажимаем кнопку «рассчитать», и получаем необходимые параметры для намотки.


Как вы помните, нам нужно получить напряжение 24В на выходе, но по расчетам получается 26В. В таком случае можно изменять частоту и искать такое значение, при котором на выходе будет нужное напряжение. Вместе с изменением частоты изменяются и параметры обмотки. Вот к примеру, мы нашли частоту 38кГц, при которой на выходе получаем напряжение ровно 24В. Переходим в онлайн калькулятор, и изменяя номинал резистора, находим значение, при котором будет нужная частота в 38кГц, а потом уже непосредственно при запайке резистора на плату, на нем выставляем нужный номинал.


Можно переходить к намотке. Изолируем сердечник.

Теперь можно мотать первичную обмотку, но на глаз равномерно распределить будет сложно, поэтому сделаем разметку. Нам понадобится листик и транспортир. Делаем 2 диаметра: внутренний и наружный. Ставим точку отсчета и с помощью транспортира делим нашу разметку на то количество, сколько нужно витков. Потом вырезаем ее, и с помощью скотча приклеиваем на сердечник.

Далее нужно отмотать необходимую длину провода для намотки. Сделать это можно зная длину одного витка, а также количество витков. Замеряем один виток и умножаем на количество, а также добавляем 5% из-за того, что провод ложится не виток к витку, а немного растянуто, а еще и выводы необходимо сделать.

Когда узнали длину провода, отматываем его, отрезаем и можно мотать. Для этого автор пользуется вот таким приспособлением:



На него наматывается провод и потом спокойно продевая его в сердечник производится намотка строго по разметке. Для крепления витков можно использовать суперклей.


Теперь осталось подпаять многожильный провод к первички и заизолировать тем же термоскотчем.

Вот и все — первичка готова, приступаем к изготовлению вторички. Направление намотки первички и вторички может не совпадать — это неважно. Процедура намотки вторички практически не отличается от намотки первичной обмотки, такая же разметка, витков правда меньше, но процесс идентичен.


А теперь самое важное. Вот здесь путается большинство людей, это то, как сделать среднюю точку. Итак, сейчас автор продемонстрирует это максимально наглядно. Вот мы намотали одну половину вторички — это будет средней точкой.


Автор намеренно не разрезает провод, а делаю вот такую петельку. Теперь же продолжаем намотку. Провод ложем виток к витку к прошлой обмотке, при этом сохраняя направление намотки. Теперь мы имеем 3 вывода. Там, где по одному проводу — это начало и конец обмотки, а петелька — средняя точка.

Тут все предельно ясно. Если нужно мотать в несколько слоев, то можно сразу мотать двумя жилами, и повторить ту же операцию с петелькой. После намотки вторички изолируем ее и на этом изготовление трансформатора завершено. Можно еще капроновыми нитками пройтись по всей длине и укрепить обмотки, но это уже на ваше усмотрение.


Теперь можно протестировать наш самодельный трансформатор. Для этого воспользуемся вот такой платой.

Подпаяли трансформатор к плате, и производим замер выходного напряжения.

Как видим оно совпадает с расчетным. Теперь можно подключить нашу электронную нагрузку и посмотреть, как держит мощность трансформатор.

Как видим, при увеличении мощности просадка напряжения есть, правда незначительная. Ну и напоследок проверим защиту от короткого замыкания.

Как видим все отлично, блок справляется.


Ну а на этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видео:


Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Расчет катушек на ферритовых кольцах. Радиолюбительские программы

Программа предназначена для расчета индуктивности катушек, на разных каркасах: одно и многослойных, на ферритовых кольцах, в броневом сердечнике, плоских катушек на печатной плате, а также колебательных контуров.

Программа позволяет производить расчет следующих типов катушек индуктивности:


  1. Одиночный круглый виток
  2. Однослойная виток к витку
    — известны диаметр каркаса и диаметр провода, длина намотки вычисляется;
    — известны диаметр каркаса и длина намотки, диаметр провода вычисляется.
  3. Однослойная катушка с шагом
  4. Катушка с не круглой формой витков
  5. Многослойная катушка
    В качестве начальных параметров при расчете катушки можно выбрать два варианта:
    — известны размеры катушки, вычисляется: индуктивность, диаметр провода;
    — известны диаметр каркаса, длина намотки и омическое сопротивление провода, толщина катушки, индуктивность и диаметр провода вычисляется.
  6. Тороидальная однослойная катушка
  7. Катушка на ферритовом кольце
  8. Катушка в броневом сердечнике (ферритовом и карбонильном)
  9. Тонкопленочная катушка (плоская катушка на печатной плате с круглой и квадратной формой витков и в виде одиночного прямого проводника)

Для расчета доступны:

  • Расчет числа витков катушки при заданной индуктивности
  • Расчет индуктивности катушки для заданного числа витков
  • Расчет частоты контура при заданных емкости и индуктивности
  • Расчет индуктивности контура при заданной частоте и емкости
  • Расчет емкости контура при заданной частоте и индуктивности

Программа не претендует на высокую точность расчетов. Для точных расчетов, следует прибегать к интегральному исчислению и теории вероятностей для учета погрешностей. Согласитесь, маленькая программа не должна ставить перед собой такую задачу. Формулы расчета аппроксимируют реальные, и точность вполне приемлема для конструктора радиоаппаратуры. Внешний вид программы приведен на рисунке. Программа позволяет выбрать тип катушки индуктивности (форму), при этом в левой части отображается ее рисунок. Затем вводится требуемое значение индуктивности и, после нажатия на кнопку «Ввести размеры катушки», в следующем окне вводятся исходные данные размеров. Итоговые данные выводятся в правом окне «Результаты». Их можно сохранить в текстовый файл. В программе запоминаются последние введенные данные. Что бы сбросить эту память, нужно выбрать в меню: «Обнулить исходные данные». Вообще, я думаю, что работа с программой не требует особого труда.

Для установки программы распакуйте файл Coil32.zip в любой каталог и запустите на выполнение файл Coil32.exe. При постоянной работе с программй, желательно создать для нее специальную папку и вынести ярлык Coil32.exe на рабочий стол.

Программа для расчета характеристик колебательных контуров и индуктивностей катушек, выполненных на различных каркасах.

ПО Coil32 включает в себя самые разнообразные катушечные каркасы. Приложение позволяет рассчитать: однослойные (виток к витку, с шагом, не круглые, тороидальные) и многослойные катушки, бескаркасные катушки с одиночными круглыми витками, катушки в броневых сердечниках (карбонильных и ферритовых) и на ферритовых кольцах, плоские тонкопленочные катушки с квадратными и круглыми витками, одиночные прямые печатные проводники. Для каждой катушки можно определить емкости конденсаторов в колебательных контурах. Кроме того данная программа осуществляет расчет длин проводов, необходимых для намотки однослойных, многослойных катушек и катушек на ферритовых кольцах. Существует возможность определить добротность однослойных катушек.

Интерфейс программы Coil32 крайне прост и удобен. Меню включает в себя три основных вкладки: «катушка» (для расчета количества витков при заданной индуктивности), «индуктивность» (для вычисления индуктивности по указанному числу витков) и «контур» (для расчета значений колебательных контуров в соответствии с начальными условиями). Все результаты отображаются в общем текстовом поле. Их можно распечатать, скопировать в буфер или сохранить в текстовый файл *.rtf. Программа запоминает последние введенные данные, однако все результаты и исходные параметры можно обнулить. В настройках ПО можно менять: единицы измерения частоты, индуктивности, емкости и длины; стандартный метрический ряд или AWG; период автопроверки обновлений. Необходимые диаметры проводов можно вводить вручную или выбирать из стандартных рядов.

Для определения дополнительных видов индуктивности в программное обеспечение Coil32 включены следующие плагины:

  • Ferrite для расчета индуктивностей на ферритовых стержнях.
  • Meandr PCB для расчета печатной/плоской катушки, выполненной в форме меандра.
  • Multi loop для расчета катушек, выполненных в виде круглых многовитковых жгутов круглого сечения, используемых в качестве датчиков для металлоискателей.
  • Ring permeability для нахождения магнитной проницаемости катушек на ферритовых кольцах.
  • Screen для определения уменьшения величины индуктивности катушки вследствие воздействия экрана.
  • Single square loop для расчета индуктивных элементов, выполненных в виде прямоугольных рамок больших размеров.

Стоит отметить, что приложение Coil32 не претендует на высокую точность вычислений, все формулы для расчетов являются аппроксимирующими, а погрешность составляет от 1 до 4%.


Программа Coil32 разработана в 2008 году отечественным программистом и радиолюбителем Валерием Кустаревым. Автор регулярно выпускает новые версии данного ПО.

Программное обеспечение Coil32 бесплатно и свободно для распространения и использования. Для Windows ПО Coil32 распространяется по типу «Portable» и не требует установки. Для данного софта также предлагается набор различных скинов, файл справки формата *.chm и подробная информация по формулам и методикам расчета.

Приложение Coil32 (включая справочные материалы) представлено на русском языке. Кроме того имеется английский, болгарский, французский, сербский и испанский варианты интерфейса программы.

Рассматриваемый софт предназначен для операционных систем: Microsoft Windows (NT, 2000, XP, Vista, 7), Linux (версия gCoil32, необходимо GTK+, Python 2.7 или выше) и Android. Также существует мобильная версия программы jCoil32 на базе технологии J2ME.

Распространение программы: бесплатная.

Всем привет! Много лазил по сайту, а особенно по своей ветке и нашёл много чего интересного. В общем в этой статье хочу собрать всевозможные радиолюбительские калькуляторы, чтобы народ сильно не искал, когда возникнет необходимость в расчётах и проектировании схем.

1. Калькулятор расчета индуктивности — . За представленную программу говорим спасибо краб

2. Универсальный калькулятор радиолюбителя — . Опять спасибо краб


3. Программа расчёта катушек Тесла — . Снова спасибо краб

4. Калькулятор расчета GDT в SSTC — . Предоставлено [)еНиС

5. Программа для расчета контура лампового УМ — . Благодарности за информацию краб


6. Программа опознавания транзисторов по цвету — . Благодарности краб


7. Калькулятор для расчета источников питания с гасящим конденсатором — . Спасибо посетителям форума

8. Программы расчета импульсного трансформатора — . Спасибо ГУБЕРНАТОР . Примечание — автором ExcellentIT v.3.5.0.0 и Lite-CalcIT v.1.7.0.0 является Владимир Денисенко из г. Пскова, автором Transformer v.3.0.0.3 и Transformer v.4.0.0.0 — Евгений Москатов из г. Таганрога.


9. Программа для расчета однофазных, трехфазных и автотрансформаторов — . Спасибо reanimaster

10. Расчет индуктивности, частоты, сопротивления, силового трансформатора , цветовая маркировка — . Спасибо bars59


11. Программы для разных радиолюбительских расчетов и не только — и . Спасибо reanimaster


12. Помощник Радиолюбителя — радиолюбительский калькулятор — . Тема на . Спасибо Antracen , т.е. мне:)


13. Программа по расчёту DC-DC преобразователя


Всем, кто занимался изготовлением (и ремонтом) приемников, передатчиков, акустических систем, ИБП, и т.д. приходилось сталкиваться с намоточными элементами, которые требовали изготовления, ремонта или замены. И не всегда «метод научного тыка» помогает… Понятно, что можно погрузится в литературу, запастись формулами и все прекрасно и точно рассчитать, НО придется потратить время, которого иногда катастрофически не хватает.
Вот, тогда и приходит на помощь вычислительная техника, которая без программ просто груда металлолома.
На просторах всемирной свалки паутины есть множество программ для расчета катушек, трансформаторов и т.д., но большинство из них узкоспециализированы, и как обычно под Windows. Потратив некоторое время на поиски, я нашел более-менее универсальную, и,что немаловажно, кроссплатформенную программу Coil32. В программе учитываются наиболее распространенные варианты каркасов катушек. Можно рассчитать бескаркасную катушку в виде одиночного витка, на каркасах различной формы, на ферритовых кольцах и в броневых сердечниках, а также плоскую печатную катушку с круглой и квадратной формой витков. Для рассчитанной катушки можно «не отходя от кассы» рассчитать емкость конденсатора в колебательном контуре.

В последней версии Coil32 доступны:
Расчет числа витков катушки при заданной индуктивности
Расчет индуктивности катушки для заданного числа витков
Расчет добротности для однослойных катушек
Расчет индуктивности многослойной катушки по ее омическому сопротивлению
Расчет длины провода, необходимого для намотки однослойной катушки
Расчет длины провода, необходимого для намотки многослойной катушки
Расчет длины провода, необходимого для намотки катушки на ферритовом кольце

Программа доступна для ОС: Windows, Linux, Android и для платформы Java.
Для Windows: Программа распространяется в стиле «Portable» и не имеет установщика. Для установки программы распакуйте файл Coil32.7z в любой каталог и запустите на выполнение файл Coil32.exe.
Для Linux — воспользуйтесь программой установки deb — пакетов (Ubuntu, Mint, Debian), для Android (1.0 — 4.2) установщиком apk.

Файлы

▼ ⚖ 104,32 Kb ⋅ ⇣ 57

на регулярной основе!
Ежемесячные расходы:

Поэтому прошу новых читателей и читателей,

Все желающие могут на доброе дело внести посильный взнос


▼ ⚖ 85,06 Kb ⋅ ⇣ 42

Меня зовут Игорь Котов, мне 44, я коренной сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш сайт существует только на мои средства.
У меня сейчас трудные времена. Я остался без работы и просто не в состоянии «тянуть» один.

Требуется ваша посильная помощь на регулярной основе!
Ежемесячные расходы:
−75€ мы платим за аренду надёжного сервера в Германии.
−20000₽ минимально требуется на самую критическую часть редакционных нужд.

Поэтому прошу новых читателей и читателей, потерявших «датагорское гражданство» . Подписка откроет вам неограниченный доступ к материалам.

Все желающие могут на доброе дело внести посильный взнос . Размер пожертвования любой, в примечании напишите пару слов.
Спасибо всем добрым людям за доверие и поддержку. Здоровья, счастья и достатка вам, дру́ги!


▼ ⚖ 478,51 Kb ⋅ ⇣ 103

Меня зовут Игорь Котов, мне 44, я коренной сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш сайт существует только на мои средства.
У меня сейчас трудные времена. Я остался без работы и просто не в состоянии «тянуть» один.

Требуется ваша посильная помощь на регулярной основе!
Ежемесячные расходы:
−75€ мы платим за аренду надёжного сервера в Германии.
−20000₽ минимально требуется на самую критическую часть редакционных нужд.

Поэтому прошу новых читателей и читателей, потерявших «датагорское гражданство» . Подписка откроет вам неограниченный доступ к материалам.

Все желающие могут на доброе дело внести посильный взнос . Размер пожертвования любой, в примечании напишите пару слов.
Спасибо всем добрым людям за доверие и поддержку. Здоровья, счастья и достатка вам, дру́ги!


▼ ⚖ 2,16 Mb ⋅ ⇣ 498

Меня зовут Игорь Котов, мне 44, я коренной сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш сайт существует только на мои средства.
У меня сейчас трудные времена. Я остался без работы и просто не в состоянии «тянуть» один.

Требуется ваша посильная помощь на регулярной основе!
Ежемесячные расходы:
−75€ мы платим за аренду надёжного сервера в Германии.
−20000₽ минимально требуется на самую критическую часть редакционных нужд.

Поэтому прошу новых читателей и читателей, потерявших «датагорское гражданство»

Страничка эмбеддера » Расчет и применение GDT

Трансформатор управления затворами (GDT, Gate Drive Transformer) используется во всевозможных преобразователях напряжения и предназначен для гальванической изоляции управляющей схемы и силового ключа.

Эта статья поможет вам рассчитать такой трансформатор для вашей схемы.

 

Функции GDT:

  • Гальваническая развязка
    в топологиях типа мост, полумост (и некоторых других), необходима гальваническая изоляция верхних ключей (ключей, который находятся под напряжением относительно схемы управления)

  • Передача управляющего сигнала

  • Трансформация напряжения
    В некоторых схемах напряжение питания драйвера может быть ниже напряжения необходимого для надежного открывания ключа. В этих случаях применяют повышающий GDT. Возможны случаи когда, наоборот, напряжение питания драйвера больше напряжения питания ключа, для решения проблемы можно применить понижающий GDT.

  • Инвертирование фазы сигнала
    В простых мостовых или полумостовых преобразователях часто необходимы противофазные сигналы для управления соседними ключами. GDT позволяет очень просто инвертировать фазу сигнала.

 

Конкуренты GDT и их недостатки.

  • Непосредственная связь с bootstrap питанием — требует применения специальных микросхем (IR2110, к примеру), не может зарядить затвор до напряжения ниже нуля, ограниченное быстродействие.

  • Оптические драйвера – относительно сложны, необходимо принимать специальные меры для зарядки затвора ниже нуля, небольшой CMR, медлительны (в последнее время появились быстрые изоляторы типа ADuM и ISO, которые решают последние две проблемы)

 

Недостатки GDT

  • Затягивание фронтов, связанное с ограниченной полосой пропускания (очень часто, это не имеет никакого значения).

  • У GDT существует емкость между первичной и вторичной обмотками, и, хотя она могут достигать существенных величин, ток проходящий через нее не может вызвать разрушение GDT. В крайних случаях этот ток можно подавить ферритовой бусинкой. Проблемы, вызванные межобмоточной емкостью встречаются крайне редко.

  • GDT работоспособен лишь в небольшом диапазоне частот около частоты на которую он рассчитан. Выше по частоте, может сказаться паразитная индуктивность, ниже сердечник может насыщаться.

  • Наличие паразитных параметров, от которых придется избавляться.

Какие у бывают характеристики у GDT?

Индуктивность – измеряется в генри (Гн) и квадратично зависит от количества витков на GDT.

Чем меньше индуктивность, тем больше ток намагничивания, но меньше индуктивность рассеяния. Если индуктивность сделать слишком маленькой (ток намагничивания слишком большой), то сердечник насытится. На прямую индуктивность GDT практически никогда не используют в расчетах.

Индукция насыщения  — это максимальная величина магнитного поля которую еще может выдержать сердечник. Измеряется в теслах (Тл).

Когда сердечник насыщается, выходное напряжение больше не зависит от входного, а со стороны первичной обмотки происходит “короткое замыкание” – обмотка GDT перестает сопротивляться току. Выходные драйвера начинают работать на короткое замыкание, а это может вывести их из строя. За драйверами, оставшись без контроля, из строя может выйти и вся остальная конструкция.

Типичная величина индукции насыщения феррита — 300мТл

Обычно, индукцию насыщения напрямую связывают только с током намагничивания который протекает в первичной обмотке GDT, однако для трансформаторов тесла все не так просто. Индукция поля, которую создает первичная обмотка самой теслы может иметь достаточную величину, чтобы насытить находящийся недалеко от нее GDT.

Я использовал симулятор FEMM 4.2 для изучения этого вопроса. Прямоугольником обозначено сечение ГДТ, который находится прямо под первичной обмоткой DRSSTC. Обмотка высотой 10см и диаметром 28см содержит 7 витков провода, через который течет 600А

Как видно, поле от первички теслы в сердечнике довольно маленькое, но оно есть. В общем случае я рекомендую сделать запас по полю в 100мТл. GDT с таким запасом хорошо будет работать в теслах с током до 1000А

Если вы хотите просимулировать GDT своей теслы, то можете использовать мою модель как шаблон.

Программа FEMM безплатна и взять ее можно тут — femm.info

Индуктивность рассеяния – это часть индуктивности первичной обмотки, которая не связанна со вторичной обмоткой.  Индуктивность рассеяния – это паразитный параметр, который нужно всеми возможными способами уменьшать. Пример того, что будет вместо красивых прямоугольников на затворах, если индуктивность рассеяния окажется слишком велика:

 

Индуктивность рассеяния можно уменьшить следующими методами – изменить тип намотки, уменьшить количество витков на GDT, увеличить проницаемость материала GDT.

Тип намотки. Способы намотки и коэффициенты связи обмоток приведены в таблице [1]:

Чем больше коэффициент связи, тем меньше индуктивность рассеяния и тем лучше работает GDT

Как видно, наилучшими характеристиками обладает ГДТ, намотанный проводом в экране, однако для практического применения хватает и филярной обмотки. Также, чем плотнее обмотка прилегает к сердечнику, тем больше коэффициент связи.

Индуктивность рассеяния также можно уменьшить, уменьшив до минимума количество витков, однако, при уменьшении количества витков возрастает ток в первичной обмотке (увеличивается нагрузка на драйвер) и увеличивается индукция магнитного поля, что может привести к насыщению сердечника (при насыщении сердечника энергия перестает передаваться во вторичную обмотку).

Минимальная рабочая частота.

Минимальная рабочая частота ограниченна индукцией насыщения сердечника.2

Количество витков следует округлить в большую сторону. Индукцию насыщения следует выбирать с учетом близкорасположенных источников магнитных полей.

Для упрощения расчетов, в калькулятории есть соответствующий калькулятор.

Какие материалы использовать?

Лучшими параметрами для GDT обладают тороидальные сердечники, поэтому я буду обсуждать только их. Первое, что необходимо выбрать — это рабочая частота сердечника. Задавшись рабочей частотой, можно выбрать материал. Это можно сделать, посмотрев на графики зависимости проницаемости сердечника от рабочей частоты, которые производители приводят в datasheet’ах. На рабочей частоте проницаемость не должна падать меньше 1000. Чем больше проницаемость сердечника, тем меньше паразитная индуктивность (тем лучше). Пример такого графика от фирмы EPCOS:

Лучшие доступные материалы для сердечников:

Ferroxocube: 3F35, 3F4, 3F45
Epcos: N30, N45, T57, T38

На картинке ниже справа расположены сердечники из распыленного железа — из применять ни в коем случае не стоит, слева — типичные «совковые» сердечники.

 

 

Как показала недавняя практика, совковый материал 2000НМ1 вполне неплохо работает в качестве ГДТ на частоте 80кГц, используйте на здоровье!

Каким проводом мотать GDT?

Можно написать очень много слов и формул про то, как правильно рассчитать сечение провода, однако на практике, любители используют то, что доступно. Чаще всего выбор падает на провод от сетевой витой пары.

Сразу предупрежу, что изоляция этого провода, теоретически, не должна выдерживать высоковольтную высокочастотную переменку, которая обычно присутствует в тесле. Однако, я не знаю ни одной конструкции в которой этот провод подвел бы.

Счастливые обитатели стран бывшего СССР могут легко приобрести провод, который называется МГТФ – это очень хороший провод, который гарантированно выдержит ту самую высокочастотную переменку. Плюс нет вероятности, что изоляция расплавится от перегрева, как это может произойти с компьютерной витой парой.

 

Перед тем, как мотать GDT, советую еще прочитать

[1] Practical GDT Designs. https://thedatastream.4hv.org

[2] Gate drive transformer https://wiki.4hv.org/index.php/GDT

Расчет автотрансформатора своими руками

При проектировании трансформатора, основной параметр устройства представлен показателями его мощности.
Зная, как рассчитать мощность трансформатора, можно самостоятельно выбрать и приобрести качественный прибор, позволяющий преобразовывать напряжение в большие или меньшие значения.

Как рассчитать мощность трансформатора

Особенность работы стандартного трансформатора представлена процессом преобразования электроэнергии переменного тока в показатели переменного магнитного поля и наоборот. Самостоятельный расчет трансформаторной мощности может быть выполнен в соответствии с сечением сердечника и в зависимости от уровня нагрузки.


Расчет обмотки преобразователя напряжения и его мощности

По сечению сердечника

Электромагнитный аппарат имеет сердечник с парой проводов или несколькими обмотками. Такая составляющая часть прибора, отвечает за активное индукционное повышение уровня магнитного поля. Кроме всего прочего, устройство способствует эффективной передаче энергии с первичной обмотки на вторичную, посредством магнитного поля, которое концентрируется во внутренней части сердечника.

Параметрами сердечника определяются показатели габаритной трансформаторной мощности, которая превышает электрическую.

Расчетная формула такой взаимосвязи:

Sо х Sс = 100 х Рг / (2,22 х Вс х А х F х Ко х Кc), где

  • Sо — показатели площади окна сердечника;
  • Sс — площадь поперечного сечения сердечника;
  • Рг — габаритная мощность;
  • Bс — магнитная индукция внутри сердечника;
  • А — токовая плотность в проводниках на обмотках;
  • F — показатели частоты переменного тока;
  • Ко — коэффициент наполненности окна;
  • Кс — коэффициент наполненности сердечника.

Показатели трансформаторной мощности равны уровню нагрузки на вторичной обмотке и потребляемой мощности из сети на первичной обмотке.

Самые распространенные разновидности трансформаторов производятся с применением Ш —образного и П — образного сердечников.

По нагрузке

При выборе трансформатора учитывается несколько основных параметров, представленных:

  • категорией электрического снабжения;
  • перегрузочной способностью;
  • шкалой стандартных мощностей приборов;
  • графиком нагрузочного распределения.

В настоящее время типовая мощность трансформатора стандартизирована.


Варианты трансформаторов

Чтобы выполнить расчет присоединенной к трансформаторному прибору мощности, необходимо собрать и проанализировать данные обо всех подключаемых потребителях. Например, при наличии чисто активной нагрузки, представленной лампами накаливания или ТЭНами, достаточно применять трансформаторы с показателями мощности на уровне 250 кВА.

В системах электрического снабжения показатели трансформаторной мощности приборов должны позволить обеспечивать стабильное питание всех потребителей электроэнергии.

Как намотать импульсный трансформатор?

Вначале нужно подготовить ферритовое кольцо.

Для того чтобы провод не прорезал изоляционную прокладку, да и не повредился сам, желательно притупить острые кромки ферритового сердечника. Но, делать это не обязательно, особенно если провод тонкий или используется надёжная прокладка. Правда, я почему-то всегда это делаю.

При помощи наждачной бумаги скругляем наружные острые грани.

То же самое проделываем и с внутренними гранями кольца.

Чтобы предотвратить пробой между первичной обмоткой и сердечником, на кольцо следует намотать изоляционную прокладку.

В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, лавсановую плёнку или даже бумагу.

При намотке крупных колец с использованием провода толще 1-2мм удобно использовать киперную ленту.

Иногда, при изготовлении самодельных импульсных трансформаторов, радиолюбители используют фторопластовую ленту – ФУМ, которая применяется в сантехнике.

Работать этой лентой удобно, но фторопласты обладают холодной текучестью, а давление провода в области острых краёв кольца может быть значительным.

Во всяком случае, если Вы собираетесь использовать ленту ФУМ, то проложите по краю кольца полоску электрокартона или обычной бумаги.

При намотке прокладки на кольца небольших размеров очень удобно использовать монтажный крючок.

Монтажный крючок можно изготовить из куска стальной проволоки или велосипедной спицы.

Аккуратно наматываем изолирующую ленту на кольцо так, чтобы каждый очередной виток перехлёстывал предыдущий с наружной стороны кольца. Таким образом, изоляция снаружи кольца становится двухслойной, а внутри – четырёх-пятислойной.

Для намотки первичной обмотки нам понадобится челнок. Его можно легко изготовить из двух отрезков толстой медной проволоки.

Необходимую длину провода обмотки определить совсем просто. Достаточно измерить длину одного витка и перемножить это значение на необходимое количество витков. Небольшой припуск на выводы и погрешность вычисления тоже не помешает.

34(мм) * 120(витков) * 1,1(раз) = 4488(мм)

Если для обмотки используется провод тоньше, чем 0,1мм, то зачистка изоляции при помощи скальпеля может снизить надёжность трансформатора. Изоляцию такого провода лучше удалить при помощи паяльника и таблетки аспирина (ацетилсалициловой кислоты).

Будьте осторожны! При плавлении ацетилсалициловой кислоты выделяются ядовитые пары!

Если для какой-либо обмотки используется провод диаметром менее 0,5мм, то выводы лучше изготовить из многожильного провода. Припаиваем к началу первичной обмотки отрезок многожильного изолированного провода.

Изолируем место пайки небольшим отрезком электрокартона или обыкновенной бумаги толщиной 0,05… 0,1мм.

Наматываем начало обмотки так, чтобы надёжно закрепить место соединения.

Те же самые операции проделываем и с выводом конца обмотки, только на этот раз закрепляем место соединения х/б нитками. Чтобы натяжение нити не ослабло во время завязывания узла, крепим концы нити каплей расплавленной канифоли.

Если для обмотки используется провод толще 0,5мм, то выводы можно сделать этим же проводом. На концы нужно надеть отрезки полихлорвиниловой или другой трубки (кембрика).

Затем выводы вместе с трубкой нужно закрепить х/б нитью.

Поверх первичной обмотки наматываем два слоя лакоткани или другой изолирующей ленты. Это межобмоточная прокладка необходима для надёжной изоляции вторичных цепей блока питания от осветительной сети. Если используется провод диаметром более 1-го миллиметра, то неплохо в качестве прокладки использовать киперную ленту.

Если предполагается использовать выпрямитель с нулевой точкой, то можно намотать вторичную обмотку в два провода. Это обеспечит полную симметрию обмоток. Витки вторичных обмоток также должны быть равномерно распределены по периметру сердечника. Особенно это касается наиболее мощных в плане отбора мощности обмоток. Вторичные обмотки, отбирающие небольшую, по сравнению с общей, мощность, можно мотать как попало.

Если под рукой не оказалось провода достаточного сечения, то можно намотать обмотку несколькими проводами, соединёнными параллельно.

На картинке вторичная обмотка, намотанная в четыре провода.

Определение габаритной мощности трансформатора

Показатели габаритной мощности трансформатора могут быть приблизительно определены в соответствии с сечением магнитопровода. В этом случае уровень погрешности часто составляет порядка 50%, что обусловлено несколькими факторами.

Трансформаторная габаритная мощность находится в прямой зависимости от конструкционных характеристик магнитопровода, а также качественных показателей материала и толщины стали. Немаловажное значение придаётся размерам окна, индукционной величине, сечению проводов на обмотке, а также изоляционному материалу, который располагается между пластинами.


Схема трансформатора

Безусловно, вполне допустимо экспериментальным и стандартным расчётным способом выполнить самостоятельное определение максимальной трансформаторной мощности с высоким уровнем точности. Однако, в приборах заводского производства такие данные учтены, и отражаются количеством витков, располагающихся на первичной обмотке.

Таким образом, удобным способом определения этого показателя является оценка размеров площади сечения пластин: Р = В х S² / 1,69

В данной формуле:

  • параметром P определяется уровень мощности в Вт;
  • B — индукционные показатели в Тесла;
  • S — размеры сечения, измеряемого в см²;
  • 1,69 — стандартные показатели коэффициента.

Индукционная величина — табличные показатели, которые не могут быть максимальными, что обусловлено риском значительного отличия магнитопроводов с разным уровнем качественных характеристик.

При выборе прибора, преобразующего показатели напряжения, следует помнить, что более дешевые трансформаторы обладают невысокой относительной габаритной мощностью.

Расчет понижающего трансформатора

Выполнить самостоятельно расчет показателей мощности для однофазного трансформатора понижающего типа – достаточно легко. Поэтапное определение:

  • показателей мощности на вторичной трансформаторной обмотке;
  • уровня мощности на первичной трансформаторной обмотке;
  • показателей поперечного сечения трансформаторного сердечника;
  • фактического значения сечения трансформаторного сердечника;
  • токовых величин на первичной обмотке;
  • показателей сечения проводов на первичной и вторичной трансформаторных обмотках;
  • количества витков на первичной и вторичной обмотках;
  • общего числа витков на вторичных обмотках с учетом компенсационных потерь напряжения в кабеле.

На заключительном этапе определяются показатели площади окна сердечника и коэффициента его обмоточного заполнения. Определение сечения сердечника, как правило, выражается посредством его размеров, в соответствии с формулой: d1=А х В, где «А» — это ширина, а «В» — толщина.

Следует отметить, что при самостоятельном расчете, необходимо увеличивать количество витков на вторичной обмотке примерно на 5-10%.

Правильный расчет силового трансформатора

Упрощенный расчет 220/36 В

Стандартный трансформатор с 220/36 В, представлен тремя основными компонентами в виде первичной и вторичной обмотки, а также магнитопровода. Упрощенный расчет силового трансформатора включает в себя определение сечения сердечника, количества обмоточных витков и диаметра кабеля. Исходные данные для простейшего расчета представлены напряжением на первичной U1 и на вторичной обмотке – U2, а также током на вторичной обмотке или I2.

В результате упрощенного расчета устанавливается зависимость между сечением сердечника Sсм², возведенным в квадрат и общей трансформаторной мощностью, измеряемой в Вт. Например, прибором с сердечником, имеющим сечение 6,0 см², легко «перерабатывается» мощность в 36 Вт.


Понижающий трансформатор

При расчете используются заведомо известные параметры в виде мощности и напряжения на вторичной цепи, что позволяет вычислить токовые показатели первичной цепи. Одним из важных параметров является КПД, не превышающий у стандартных трансформаторов 0,8 единиц или 80%.

Сами занимаетесь установкой электрооборудования? Схема подключения трансформатора представлена на нашем сайте.

Подозреваете, что трансформатор неисправен? О том, как проверить его мультиметром, вы можете почитать тут.

Чем отличается трансформатор от автотрансформатора, вы узнаете из этой темы.

Показатели полной или полезной мощности многообмоточных трансформаторов, являются суммой мощностей на всех вторичных обмотках прибора. Знание достаточно простых формул позволяет не только легко произвести расчёт мощности прибора, но также самостоятельно изготовить надежный и долговечный трансформатор, функционирующий в оптимальном режиме.

Сергей Комаров

Сразу оговорюсь, что буду рассматривать однофазные трансформаторы для питания наземной стационарной радиоаппаратуры мощностью в десятки — сотни ватт, что имеет самое распространенное применение.

Прежде, чем приступить к расчетам трансформатора, которых может быть великое множество, необходимо договориться о критериях его качества, что непременно отразится на построении расчетных формул. Я считаю, что главный качественный показатель силового трансформатора для радиоаппаратуры это его надежность. Следствие надежности — это минимальный нагрев трансформатора при работе (иными словами он должен быть всегда холодным!) и минимальная просадка выходных напряжений под нагрузкой (иными словами, трансформатор должен быть «жестким»).

Другие критерии оптимизации кроме надежности, как-то: экономия меди, минимальные габариты или вес, высокая удельная мощность, удобство намотки, минимизация стоимости, ограниченный срок службы (чтобы новые покупали чаще, взамен сгоревших) я не считаю приемлемыми в инженерной практике. Методики «вышибания» из имеющегося типоразмера сердечника наимаксимальнейшей мощности, я тоже считаю неприемлемыми. — Такие трансформаторы долго не работают и греются как черти.

Хотите экономить — покупайте китайскую дешевку или советский ширпотреб. Но помните: «Скупой всегда платит дважды!».

Трансформатор должен работать и не создавать проблем. Это его главная функция. Исходя из этого, будем его и рассчитывать! Прежде всего, необходимо уяснить для себя некоторую минимальную теорию.

Итак: силовой трансформатор. Не идеальный. А по сему, эти неидеальности нужно понимать и правильно учитывать. Главных неидеальностей у силового трансформатора — две. 1. Потери на активном сопротивлении провода обмоток (зависят от материала провода и от плотности, протекающего через него тока). 2. Потери на перемагничивание в сердечнике, — на неком «магнитном сопротивлении» (зависят от материала сердечника и от значения магнитной индукции).

Именно эти две неидеальности должны быть разумно-минимальными, чтобы трансформатор удовлетворял требованиям надежности.

Активное сопротивление обмоток и, как следствие, их нагрев, определяется заложенной при расчете плотностью тока в проводе. А по сему, ее значение должно быть оптимальным. На основании большого практического опыта рекомендую использовать значение плотности тока в медном проводе не более 3,2 ампера на квадратный миллиметр сечения. При использовании серебряного провода, плотность тока можно увеличить до 3,5 ампер на квадратный миллиметр. А вот, для алюминиевого провода она не должна превышать значение 2 ампера на квадратный миллиметр. Указанные значения плотности тока категорически превышать нельзя! И из этих значений мы выведем формулы для определения диаметра провода обмоток, коими будем пользоваться в расчете.

Мотать обмотки более толстым проводом (при меньшем значении плотности тока) — можно. Более тонким — категорически нет! Однако, и более толстым проводом мотать обмотки не стоит, поскольку тогда мы рискуем не уложить нужное число витков в окно сердечника. А в хорошем трансформаторе должно быть много витков, чтобы свести к минимуму магнитные потери и чтобы не грелся его сердечник.

Большинство холоднокатаных электротехнических сталей сохраняют свою линейность до значения магнитной индукции 1,35 Тесла или 13500 Гаусс. Но надо не забывать, что напряжение в розетке электросети может иметь разброс от 198 до 242 вольт, что соответствует нормированному 10-и процентному отклонению от номинала как в плюс, так и в минус. То есть, если мы хотим, чтобы во всем диапазоне питающих напряжений наш трансформатор работал надежно, надо его рассчитать так, чтобы сердечник не подходил бы к нелинейности при любом допустимом напряжении питающей сети. В том числе и при 242 вольтах. А по сему, на номинальном напряжении 220 вольт, магнитная индукция должна выбираться не более 1,2 Тесла или 12000 Гаусс.

Соблюдение этих двух указанных требований обеспечит высокий КПД трансформатора и высокую стабильность выходных напряжений при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения. Иными словами, мы получим очень «жесткий» трансформатор. Что и нужно! А вот увеличение расчетного значения индукции более 1,2 Тесла приведет не только к нагреву сердечника, но и к снижению «жесткости» трансформатора. Если расчитывать трансформатор на значение индукции более 1,3 Тесла, то мы получим «мягкий» трансформатор, выходные напряжения которого, плавно просаживаются при увеличении тока нагрузки от нуля до его номинального значения. Не для всех радиоустройств такие трансформаторы пригодны. Впрочем, в транзисторных схемах можно с успехом использовать стабилизатор выпрямленного напряжения. Но это — дополнительная схема, дополнительные габариты, дополнительная рассеиваемая мощность, дополнительные деньги и дополнительная ненадежность. Не лучше ли сразу сделать хороший трансформатор?

У мягкого питающего трансформатора напряжения на одних вторичных обмотках зависит от потребляемых токов в других — за счет просадки в общих цепях — на активном сопротивлении первичной обмотки и на магнитном сопротивлении. Например, если мы питаем от мягкого трансформатора двухтактный ламповый усилитель, работающий в режиме класса В или АВ, то изменение потребления по анодной цепи приведет к дополнительным колебаниям напряжения накала ламп. И, поскольку, напряжение накала ламп имеет также допустимый разброс в 10% от номинала, мягкий трансформатор внесет в это напряжение дополнительную нестабильность еще в 10, а то и в 15 процентов. А это неизбежно, сначала сократит выходную мощность усилителя на больших громкостях (инерционные просадки громкости), а с течением времени приведет к более ранней потери эмиссии у ламп.

Экономия на силовом трансформаторе аукается более дорогими потерями в радиолампах и в параметрах радиоустройств. Вот уж воистину: «Экономия — путь к разорению и нищете!»

В настоящее время наиболее распространены магнитопроводы следующих конфигураций:

Дальнейший расчет трансформатора будем вести по строгим классическим формулам из учебника электротехники:

1. При соблюдении достигнутых договоренностей КПД трансформатора (при наиболее часто встречающихся мощностях 80 — 200 Вт) будет не ниже 95 процентов, а то и выше. Поэтому, в формулах будем использовать значение КПД = 0,95.

2. Коэффициент заполнения окна сердечника медью для тороидальных трансформаторов составляет 0,35. Для обычных каркасных броневых или стержневых — 0,45. При широких каркасах и большой длине намотки одного слоя (h), значение Km может доходить и до значения 0,5 … 0,55, как, например, у магнитопроводов типа Б69 и Б35, параметры которых приведены на рисунке. При бескаркасной промышленной намотке Km может иметь значения и до 0,6 … 0,65. Для справки: теоретический предел значения Km для слоевого размещения круглого провода без изоляции в квадратном окне — 0,87.

Приведенные практические значения Km достижимы лишь при ровной укладке провода строго виток к витку, тонкой межслойной и межобмоточной изоляции и заделке выводов за пределами окна сердечника (на боковых вылетах обмотки). При изготовлении каркасных обмоток в любительских условиях, в условиях лабораторного или опытного производства, лучше принимать значение Km = 0,45 … 0,5.

Разумеется, все это касается обычных силовых трансформаторов для ламповой или транзисторной аппаратуры, с выходными и питающими напряжениями до 1000 вольт, где не предъявляются повышенные изоляционные требования к обмоткам и к заделке их выводов.

3. Габаритная мощность трансформатора, в ваттах, на конкретно выбранном сердечнике определяется по формуле:

Где: η

= 0,95 — КПД трансформатора;
Sc
и
So
— площади поперечного сечения сердечника и окна, соответственно [кв. см];
f
— нижняя рабочая частота трансформатора [Гц];
B
= 1,2 — магнитная индукция [T];
j
— плотность тока в проводе обмоток [A/кв.мм];
Km
— коэффициент заполнения окна сердечника медью;
Kc
= 0,96 — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью;

4. Задавшись напряжениями обмоток, количество необходимых витков можно рассчитать по такой формуле:

Где: U1

,
U2
,
U3
, … — напряжения обмоток в вольтах, а
n1
,
n2
,
n3
, … — число витков обмоток.

Если изначальные договоренности нами в точности соблюдены, и мы делаем жесткий трансформатор, то число витков как первичной, так и вторичной обмоток определяется по одной и той же формуле. Если же мы будем использовать трансформатор при предельном значении мощности для имеющегося типоразмера сердечника, рассчитанное по этой формуле, или мы проектируем маломощные трансформаторы (менее 50 Вт), с большим числом витков и тонким проводом обмоток, то число витков вторичных обмоток следует увеличить в 1/√η

раз. С учетом нашей договоренности, это составит 1,026 или больше рассчетного на 2,6%.

Что же касается напряжений накальных обмоток, то здесь стоит вспомнить указание самой главной книги по радиолампам: «Руководство по применению приемно-усилительных ламп», выпущенное для радиоинженеров-разработчиков Государственным комитетом по электронной технике СССР в 1964 году.

Надо открыть это руководство на 13-ой странице, внимательно рассмотреть график на рисунке 1, и уяснить из него, что оптимальное напряжение накала радиоламп для сохранения их максимальной надежности и, соответственно, долговечности составляет 95% от номинала. Что для ламп с напряжением накала 6,3 вольта, составит ровно 6 вольт. Поэтому не надо увеличивать число витков накальных обмоток на 2,6%. Пусть будет, как есть.

5. Определяем токи обмоток: Ток первичной обмотки: I1 = P / U1

При использовании двухполупериодного выпрямителя средний ток каждой половины обмотки будет в 1,41 раза (корень из двух) меньше, чем необходимый выпрямленный ток нагрузки. В случае использования мостового полупроводникового выпрямителя, ток обмотки будет в 1,41 раза больше, чем выпрямленный ток нагрузки. Поэтому, надо не забыть в формулы для определения диаметров проводов подставлять потребления по постоянному току, в первом случае поделенные, а во втором, умноженные на 1,41.

6. Рассчитываем диаметры проводов обмоток исходя из протекающих в них токов по следующим формулам (для меди, серебра или алюминия):

Полученные значения округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра провода.

7. Делаем проверку расчета. Мощность первичной обмотки — произведение питающего напряжения на потребляемый ток, должна быть равна сумме мощностей всех вторичных обмоток. То есть: U1 x I1 = U2 x I2 + U3 x I3 + U4 x I4 + …

Намотав трансформатор, для проведения дальнейших расчетов выпрямителя необходимо замерить некоторые его параметры.

  • Активное сопротивление первичной обмотки.
  • Активное сопротивление вторичных обмоток.
  • Точные значения напряжений вторичных обмоток, разумеется, проверив, чтобы в сети при этом напряжение составляло 220 вольт. Если же оно отличается от номинала (но находится в пределах 198 — 242), то пропорционально пересчитать измеренные значения.
  • Ток холостого хода первичной обмотки (какой ток трансформатор потребляет из сети при отсутствии нагрузки на его вторичных обмотках).

К примеру, Тороидальный силовой двухобмоточный трансформатор, мощностью 530 Ватт, который я сам, вручную, мотал в 1982 году на сердечнике от сгоревшего бытового переходного 400-ваттного автотрансформатора 127/220 вольт, называвшегося в торговой сети «Юг-400», имел следующие параметры: Магнитная индукция при напряжении 220 вольт — 1,2 Тесла, Число витков первичной обмотки (220 вольт) — 1100. Диаметр провода первичной обмотки — 0,96 мм. Число витков вторичной обмотки (127 вольт) — 635. Диаметр провода вторичной обмотки — 1,35 мм. При этом, ток холостого хода получился 7 (семь!) миллиампер.

На протяжении восемнадцати лет, не выключаясь, через этот трансформатор у меня питался «холостяцкий» холодильник «Саратов-II» (тот самый, при работе с которым сгорел автотрансформатор «Юг») после перевода нашего района на напряжение сети 220 вольт.

Для сравнения. «Родная», промышленная, обмотка того самого трансформатора «Юг» на 220 вольт содержала 880 витков. Не удивительно, что он грелся как сволочь, даже будучи лишь автотрансформатором, и в конце-концов сгорел. Да, это и понятно, ведь, советская бытовая промышленность была заинтересована в увеличении покупательского спроса. Ну, вот и достигалось это не широкой номенклатурой товаров, а ограниченным сроком их работы!

Не надо экономить, — это, ведь, то же самое, что самому себе гадить.

Желаю удачи!

Калькулятор намотки тороида • 66pacific.com

Используйте этот онлайн-инструмент для расчета количества витков обмотки, необходимого для достижения желаемая индуктивность с тороидальными сердечниками из феррита и порошка железа.

Для использования калькулятора:
Сначала выберите тип материала сердечника.
Выберите Iron Powder для сердечников с префиксом T (например, T-50-2).
Выберите Ferrite для сердечников с префиксом FT (например, FT-43-63).

Тип материала:
Железный порошок Феррит

Индуктивность
Введите индуктивность.

Размер сердечника

Номер материала

Рассчитать








Для получения дополнительной информации об использовании этого калькулятора см. Использование калькулятора намотки тороида.

Краткое описание терминов сердечника тороида, используемых на этой странице (например, A L и u), см. В Терминологии катушки тороида.

Две отличные ссылки на тороидальные катушки индуктивности и трансформаторы :
Справочник ARRL по радиосвязи, 2017 г.

Трансформаторы линии передачи, 4-е издание, Джерри Севик

Дом | Карта сайта | Контакты

Авторские права © 1999-2021 66pacific.com. Все права защищены.

Как сконструировать катушку

Каждый любитель, желающий заняться радио, должен — в какой-то момент — намотать катушку или две, будь то антенная катушка AM-радио, катушка на тороидальном сердечнике для полосового фильтра в приемопередатчике связи или катушке с центральным отводом для использования в генераторе Хартли. Намотка катушек несложная, но довольно трудоемкая. Существуют разные методы изготовления катушек в зависимости от области применения и необходимой индуктивности.Воздушные сердечники являются наиболее широкополосными, но получение высокой индуктивности означает использование большого количества проводов, они также не являются наиболее эффективным средством для преодоления магнитного поля, выходящего из катушки — это выходящее магнитное поле может вызывать помехи из-за индукции в соседних проводах и других катушках.

Намотка катушки на ферромагнитную катушку фокусирует магнитное поле, увеличивая индуктивность. Отношение индуктивностей после и до того, как сердечник с диаметром катушки был вставлен внутрь, называется относительной проницаемостью (обозначается μ r ).Различные обычно используемые материалы имеют разную относительную проницаемость: от 4000 для электротехнической стали, используемой в сетевых трансформаторах, до около 300 для ферритов, используемых в трансформаторах SMPS, и около 20 для сердечников из железного порошка, используемых на УКВ. Каждый материал сердечника следует использовать только в указанном диапазоне частот, за пределами которого сердечник начинает демонстрировать высокие потери. Тороидальные сердечники с несколькими отверстиями, горшок и другие закрытые сердечники заключают магнитное поле внутри сердечника, повышая эффективность и практически сводя к нулю помехи.Чтобы узнать больше об индукторах и их работе, перейдите по ссылке.

Индукторы с воздушным сердечником Катушки

с воздушным сердечником подходят для катушек с низкой индуктивностью, где помехи не имеют особого значения. Катушки с небольшим количеством витков и относительно толстой проволокой наматываются на цилиндрический объект, такой как сверло или банка , которые затем удаляются, и катушка поддерживает себя, иногда катушка покрыта смолой для большей механической устойчивости.Катушки большего размера с большим количеством витков обычно наматываются на неферромагнитный каркас, такой как полая пластиковая трубка или керамический каркас (для мощных РЧ катушек), а затем прикрепляются к каркасу с помощью клея. Чтобы намотать их, вам сначала нужно рассчитать требуемый диаметр проволоки, потому что он сильно влияет на общую длину катушки.

Формула для диаметра проволоки :

(√I) * 0,6 = d, где I - среднеквадратичный или постоянный ток, а d - диаметр проволоки. 

Если катушки используются на низких уровнях мощности, диаметр провода не имеет большого значения, 0.3 мм подходит для большинства применений, а 0,12 мм подходит для консервов, если катушки используются в транзисторных радиоприемниках. Если катушка используется в генераторе, провод должен быть жестким, чтобы предотвратить эффекты коробления, поскольку они могут в некоторой степени изменить индуктивность и вызвать нестабильность частоты (возбуждение).

Далее необходимо знать, какой диаметр должен быть у катушки. Рекомендуется, чтобы диаметр катушки составлял от 50% до 80% длины катушки для оптимальной добротности, и это зависит от того, сколько места может занимать катушка.Если катушка будет самонесущей, вы можете использовать болт или винт, намотать витки внутри канавок и удалить болт, открутив его, удерживая провод катушки, это делает катушку очень ровной и воспроизводимой.

Ниже приведена формула индуктивности для цилиндрической катушки

L = µ r (n 2 . 2 . R 2 / л) 0,00000126

L - индуктивность в генри,
μ  r  - относительная проницаемость сердечника (1 для воздуха, пластика, керамики и т. д.катушки),
n - количество витков,
π - это пи,
r - радиус катушки в  метра  (от середины слоя разводки до середины обмотки) или
половина диаметра (от середины слоя разводки через середину до середины слоя разводки на другой стороне),
l - длина намотки в  метра, 
а длинное число на обороте - проницаемость свободного пространства.

 

Еще одна формула индуктивности.

  L = (n  2 .d  2 ) / 18d + 40l  

Эта формула используется при намотке однослойной однородной катушки, когда все витки намотаны плотно, без промежутков между ними. Единицы такие же, как в приведенной выше формуле, за исключением d, который представляет собой диаметр рулона в метрах.

Очень хороший калькулятор для катушки сделал Serge Y. Stroobandt, позывной ON4AA здесь.

Как сделать индуктор с воздушным сердечником

На намотайте обычную катушку с воздушным сердечником. вам понадобится формирователь, источник проволоки, мелкая наждачная бумага или нож для моделирования (не показан) и немного суперклея или двусторонней ленты, чтобы удерживать провод на месте.

После проектирования катушки пора наматывать ее . Если вы делаете катушку с воздушным сердечником, рекомендуется использовать пластиковый формирователь для намотки, так как пластиковый формирователь неферромагнитен и не проводит электричество, это не повлияет на работу катушки при низкой мощности. уровни. Затем отрежьте полоску двустороннего скотча по длине катушки и приклейте ее к каркасу, затем просверлите отверстия в каркасе там, где заканчивается виток и на отводах, снимите защитный слой с ленты и начните наматывать сначала пропуская его через просверленное отверстие, а затем наматывая его, как обычно, провод будет удерживаться двусторонней лентой, в качестве альтернативы вы можете приклеить начало катушки к каркасу, намотав несколько витков цианакрилатным клеем, намотайте оставшуюся часть катушки и клей через каждые 1 см (также называемый суперклеем, используйте перчатки, его очень трудно удалить с кожи и вызывает раздражение).Для метчиков скрутите вместе кусок проволоки, пропустите ее через отверстие в образце и продолжайте как обычно. Попробуйте намотать витки поближе, после намотки снимите эмаль мелкой наждачной бумагой или лепочным ножом и залудите концы паяльником. Вы можете использовать измеритель LCR для измерения индуктивности или GDM, чтобы использовать GDM в качестве устройства для измерения индуктивности, см. Связанную статью.

Рисунки ниже объясняют процесс намотки индуктора с воздушным сердечником :

Шаг 1: На двух рисунках ниже показан формирователь с кусочком ленты, куда будет наматываться провод. и Отверстия для удержания провода на месте.

Шаг 2: На рисунке ниже защитная пленка снята, намотка началась, а провод для отвода согнут и скручен .

Шаг 3: Затем проденьте отверстие в первой и вытащите другую сторону.

Шаг 4: Провода готовой катушки лужены путем погружения их в припой на куске ламината печатной платы.

Шаг 5: Наконец, индуктивность катушки измеряется с помощью измерителя LCR. Вы также можете использовать Arduino для измерения индуктивности катушки или использовать Grid Dip Meter (GDM) .

Катушки на ферритовых стержнях

Обмотка катушек на ферритовых стержнях (например, антенны с ферритовыми стержнями в радиоприемниках) аналогична намотке катушек с воздушным сердечником, но с вы не можете просверлить ферритовый стержень , вам придется полагаться на двустороннюю ленту или клей крепко держать провод.Поскольку лента не всегда прилипает к ферриту, рекомендуется сначала покрыть стержень одним-тремя слоями бумажной малярной ленты прямо под тем местом, где должна проходить катушка, и наклеить ленту поверх него. Вы можете использовать суперклей, чтобы удерживать проволоку на месте вместо двусторонней.

Для расчета катушки используйте формулу индуктивности для цилиндрической катушки, приведенную выше, для μ r введите относительную магнитную проницаемость, указанную в таблице данных или онлайн-калькуляторе катушки. Если вы разработали катушку , вы можете наматывать ее так же, как катушки с воздушным сердечником, но есть другой метод, более быстрый метод !

Поместите ферритовый стержень в электродрель, как сверло, и медленно вращайте его, стержень будет вращаться сам по себе, таким образом, вы можете очень быстро изготавливать высококачественные катушки с высокой индуктивностью с большим количеством оборотов! Если у вас есть пластиковые формирователи для стержня, сначала намотайте их, а затем наденьте на катушку и приклейте на место.


Слева — заводская антенная катушка в радиовещательном приемнике, где катушка намотана на каркас, который прикреплен к стержню с помощью пластиковых элементов. Проволока закреплена эпоксидной смолой. Справа небольшая катушка на ферритовом стержне , изготовленная описанными выше методами.

Тороидальная обмотка сердечника

Тороидальные катушки довольно легко рассчитать, но немного сложнее.Тороидальные сердечники имеют широкий спектр применений, таких как индукторы фильтров в импульсных источниках питания, дроссели радиопомех, силовые трансформаторы импульсных источников питания, входные радиочастотные фильтры, балуны, трансформаторы тока и другие.

Индуктивность тороидальной катушки в наногенри (когда индекс индуктивности AL указан в нГн / Н 2 ) можно рассчитать по следующей формуле:

  л (нГн) = A  л  (нГн / н  2 ) * Обороты  2   

После преобразования получаем формулу количества витков, необходимых для необходимой индуктивности:

  Необходимое количество оборотов = [L (нГн) / A  L  (нГн / N  2 )]  1/2   

Чтобы намотать тороидальную катушку, вам понадобится тороидальный сердечник, источник провода (хорошим источником могут служить отклоняющие катушки от старых ЭЛТ-телевизоров), мелкая наждачная бумага и немного суперклея.

Чтобы намотать тороид, вам сначала нужно отрезать проволоку соответствующей длины, потому что вы не можете пропустить катушку проволоки через отверстие. Чтобы рассчитать необходимый провод, умножьте длину окружности поперечного сечения кольца на количество необходимых витков. Иногда это указывается в таблице данных как mlt (средняя длина на оборот). На этом веб-сайте есть онлайн-калькулятор, который помогает в проектировании тороидальных катушек, просто выберите свой сердечник, подключите необходимую индуктивность, и он даст необходимое количество проводов и витков.

Шаг 1: Сначала пропустите один конец провода через отверстие, убедитесь, что он выступает примерно на 4 см — этот кусочек называется косичкой.

Шаг 2: Оберните косичку вокруг сердечника, оставьте на расстоянии 1–2 см и закрепите оставшуюся часть суперклеем.

Шаг 3: Используйте оставшуюся длину проволоки, чтобы намотать оставшуюся часть катушки, прикрепите более длинный конец к гвоздю или гвоздю для облегчения наматывания.

Поскольку ожидается, что катушка будет иметь низкую индуктивность (около 3,6 мкГн) в отсутствие профессионального измерителя LCR, лучше использовать GDM, поскольку обычные измерители на основе микроконтроллера имеют очень низкую точность при измерении малых индуктивностей. Конденсатор 680 пФ был подключен к катушке параллельно вместе с небольшой петлей связи. Эта схема имеет частоту 3,5 МГц (справа), помещая эти значения в вычислитель резонанса, мы получаем около 3 мкГн. Слева измеритель настроен на другую частоту вне резонанса контура.

Расчетные катушки могут давать очень разные результаты в реальных условиях из-за паразитных емкостей и вызванного ими параллельного саморезонанса.

Как рассчитать ферритовый трансформатор для SMPS

В этом посте мы подробно обсудим, как спроектировать и рассчитать собственный ферритовый трансформатор, соответствующим образом рассчитав различные необходимые параметры, такие как количество витков первичной обмотки, Bmax ферритового сердечника, количество витков вторичной обмотки, размеры сердечника. , вспомогательная обмотка и другие связанные переменные.

Для модели трансформатора различие между двухтактным и полным мостовым трансформатором, предназначенным для аналогичного напряжения и мощности, вероятно, будет заключаться в том, что двухтактный трансформатор потребует центрального отвода, что означает, что потребуется в два раза больше первичные витки как полномостовой трансформатор.

Расчет необходимых оборотов на самом деле довольно прост, я поясню это здесь.

Для описания я буду работать с иллюстрацией и заниматься процессом расчета.

Например, представим, что ферритовый трансформатор предназначен для инвертора мощностью 250 Вт. Выбранная топология двухтактная. Источник питания — аккумулятор на 12 В. Выходное напряжение ступени преобразователя DC-DC будет 310В.

Частота переключения 50 кГц. Выбранное ядро ​​- ETD39. Имейте в виду, что на выходе трансформатора, вероятно, будет высокочастотный переменный ток (в данном случае прямоугольная волна 50 кГц). Поскольку я обращаюсь к выходу высокого напряжения постоянного тока (например, 310 В постоянного тока, упомянутого ранее), это фактически выход постоянного тока, достигаемый после выпрямления (с использованием сверхбыстрых восстанавливающих диодов, установленных как мостовой выпрямитель) и фильтрации (с использованием LC-фильтра).

В процессе эксплуатации напряжение АКБ не будет фиксироваться на уровне 12В. При более высоких нагрузках напряжение будет ниже 12 В. При пониженных нагрузках и полностью заряженной батарее напряжение может быть выше 13 В. Следовательно, следует учитывать, что входное напряжение на самом деле не является постоянным, а скорее меняется. В инверторах низкий уровень заряда батареи обычно устанавливается на уровне 10,5 В. Таким образом, мы будем работать с этим как с наиболее разумным входным напряжением.

Vin (мин) = 10.5V

Расчет витков первичной обмотки

Формула для определения количества необходимых витков первичной обмотки:

Для двухтактного трансформатора это может быть половина требуемого диапазона витков.

N (pri) указывает количество витков первичной обмотки; N (сек) означает количество вторичных витков; N (aux) предполагает количество дополнительных витков и так далее. Однако просто N (без индекса) описывает коэффициент поворота или намотки.

Для расчета желаемого количества витков первичной обмотки по формуле необходимо учитывать следующие переменные или особенности:

Vin (ном) — умеренное входное напряжение.Мы будем считать это 12 В. Следовательно, Vin (ном) = 12.

f = рабочая частота переключения в герцах. Учитывая, что наша частота переключения составляет 50 кГц, f = 50000.

B (max) = максимальная плотность потока в гауссах. Если вы привыкли использовать Тесла или миллиТесла (Т или мТл) для определения плотности потока, помните, что 1Тл = 104 Гс.

B (max) фактически определяется конструкцией и используемыми сердечниками трансформатора. В наших разработках мы обычно считаем, что Bmax находится в диапазоне от 1300G до 2000G.

Подходит для большинства сердечников трансформаторов. В этой конкретной иллюстрации мы можем сосредоточиться на 1500G. Следовательно, Bmax = 1500. Имейте в виду, что слишком большое B (max) может вызвать насыщение трансформатора. Слишком низкое значение B (макс.), Вероятно, не будет оптимальным для использования сердечника.

Ac = Эффективная площадь поперечного сечения в см2. Вы найдете эти подробности в технических описаниях ферритовых сердечников. Ac также иногда называют Ae.

Для ETD39 полезная площадь поперечного сечения, указанная в таблице данных / спецификации, о которой мы говорим, составляет TDK E141.2. Итак, Ac = 1,25 для ETD39.

Теперь у нас есть доступ к значениям всех необходимых переменных для расчета N (pri) — количества необходимых витков первичной обмотки.

Vin (nom) = 12, f = 50000, Bmax = 1500, Ac = 1,25

Подставляя эти величины в формулу:

N (pri) = 3,2

Мы не будем применять фрагментарную обмотку, поэтому собираются округлить N (pri) до ближайшего целого числа, в этом конкретном сценарии давайте округлим его до трех оборотов.

На этом этапе, прежде чем мы завершим это и выберем N (pri) = 3, нам лучше убедиться, что B (max) по-прежнему находится в допустимом диапазоне.Поскольку мы уменьшили количество поворотов от расчетного (до 3,0 с 3,2), B (max), безусловно, будет выше.

Расчет максимальной плотности потока ферритового сердечника

На этом этапе мы должны точно определить, на сколько B (max) увеличилось и остается ли это подходящим значением.

Vin (nom) = 12, f = 50000, N (pri) = 3, Ac = 1,25

B (max) = 1600

Новое значение B (max) фактически находится в допустимом диапазоне и, таким образом, мы можем продолжить с N (pri) = 3.

Таким образом, теперь мы понимаем, что для первичной обмотки трансформатор должен иметь 3 витка + 3 витка.

Практически в любом проекте, если вы хотите изменить значения, эту задачу легко выполнить. Однако имейте в виду, чтобы оценить, что B (макс.) Выбрано надлежащим образом.

В качестве примера предположим, что из-за сложности конструкции наматывание 3 витков + 3 витков становится сложной задачей, вы можете использовать 2 витка + 2 витка или 4 витка + 4 витка.

Максимальное количество витков не повредит — вы просто будете недоиспользовать сердечник.Однако уменьшение количества оборотов может привести к увеличению B (макс.), Поэтому просто подтвердите, чтобы убедиться, что B (макс.) Правильно выбрано. Диапазон, который мы используем для B (max) (от 1300G до 2000G), является просто оценкой. В конечном итоге он подойдет для большинства ядер. Тем не менее, с несколькими сердечниками можно увеличить, чтобы уменьшить количество витков.

Низкое планирование может просто означать неоптимальное использование ядра, но иногда может быть необходимо в случае, если количество витков слишком мало.

Мы можем начать использовать фиксированное значение B (max) и после этого перейти к оценке N (pri). Вы даже можете указать значение N (pri) и впоследствии выяснить, приемлемо ли B (max). В противном случае вы можете легко максимизировать или минимизировать N (pri) по мере необходимости, а затем посмотреть, подходит ли B (max) или нет, повторяйте это до тех пор, пока не получите приемлемый конечный результат.

Например, вы могли зафиксировать N (pri) = 2, определить B (max) и определить, что оно слишком велико. Таким образом, вы поместили N (pri) = 3, определили B (max) и поняли, что все в порядке.Или, возможно, вы могли начать с N (pri) = 4, вычислить B (max) и принять решение, что оно слишком мало. Таким образом, вы установили N (pri) = 3, вычислили B (max) и решили, что это абсолютно хорошо.

На этом этапе пора перейти к вторичному. Выход нашего преобразователя постоянного тока в постоянный составляет 310 В. Следовательно, на выходе трансформатора должно быть 310 В при любом входном напряжении, от 13,5 В до 10,5 В.

Добавление обратной связи

Очевидно, что обратная связь будет интегрирована для поддержания заданного выходного напряжения, несмотря на неравномерность линии и нагрузки — изменения в результате изменений напряжения батареи, а также из-за изменения нагрузки.Следовательно, необходимо оставить некоторый запас +/-, чтобы обратная связь была эффективной. Поэтому мы спроектируем трансформатор с вторичной обмоткой 330 В.

Обратная связь, безусловно, адаптирует необходимое напряжение путем преобразования рабочего цикла сигналов управления ШИМ. Помимо обратной связи, предусмотренный запас дополнительно компенсирует некоторые недостатки преобразователя и, таким образом, компенсирует это падение напряжения в различных фазах — например, в полевых МОП-транзисторах, только внутри трансформатора, в выходных выпрямителях, выходной катушке индуктивности и т. Д. .

Это означает, что выход должен обеспечивать 330 В с входным напряжением, соответствующим 10,5 В, а также входным напряжением, соответствующим 13,5 В. Для ШИМ-контроллера мы будем считать максимальный рабочий цикл 98%. Разница в мертвом времени.

При минимальном входном напряжении (когда Vin = Vinmin) рабочий цикл, вероятно, будет максимальным. Следовательно, рабочий цикл будет 98%, если Vin = 10,5 = Vinmin. При максимальном рабочем цикле = 98% напряжение на трансформаторе = 0.98 * 10,5 В = 10,29 В.

Следовательно, коэффициент напряжения (вторичный: первичный) = 330 В: 10,29 В = 32,1

Учитывая, что соотношение напряжений (вторичный: первичный) = 32,1, отношение витков (вторичный: первичный) также должно быть 32,1 как отношение витков (вторичный: первичный) = коэффициент напряжения (вторичный: первичный). Коэффициент оборотов определяется как N. Следовательно, в нашей ситуации N = 32,1 (мы рассматривали N как отношение вторичного к первичному).

N (pri) = 3

N (сек) = N x N (pri) = 32,1 x 3 = 96.3

Округление до ближайшего целого числа. N (сек) = 96.

Следовательно, вашей вторичной обмотке потребуется 96 оборотов. Посредством надлежащего выполнения обратной связи можно получить стабильный выходной сигнал 310 В постоянного тока во всем диапазоне входного напряжения от 10,5 В до 13,5 В.

Здесь следует помнить очень важный фактор, что, несмотря на то, что мы использовали 98% как самый высокий рабочий цикл, оптимальный рабочий цикл практически, вероятно, будет меньше, потому что наш трансформатор был рассчитан на подачу выходного напряжения 330 В.Внутри схемы выходное напряжение будет 310 В, поэтому рабочий цикл, вероятно, будет еще ниже.

При этом преимущество состоит в том, что вы можете гарантировать, что выходное напряжение никогда не упадет ниже 330 В, несмотря на большие нагрузки, учитывая, что для обратной связи предоставляется значительный запас для установления и поддержания постоянного выходного напряжения даже при высоких нагрузках.

Расчет вспомогательной обмотки

Если требуется какая-либо вспомогательная обмотка, необходимое количество витков можно быстро определить.Продемонстрирую на примере. Представим, что нам нужна вспомогательная обмотка с напряжением 19 В. Мы понимаем, что выход 310 В будет контролироваться, независимо от того, какое входное напряжение может быть в пределах указанного в начале диапазона (от Vin (min) до Vin (max) — от 10,5 В до 13,5 В).

Следовательно, соотношение витков вспомогательной обмотки может быть определено в соответствии с вторичной обмоткой. Назовем это отношение витков NA.

NA = N (сек) / N (доп.) = V (сек) / (V (доп.) + Vd). Vd — прямое падение потенциала выходного диода.Мы представим, что в нашем одобрении применяется выпрямитель Шоттки с напряжением Vd = 0,5 В.

Итак, NA = 310V / 19.5V = 15.9

N (sec) / N (aux) = NA

N (aux) = N (sec) / NA = 96 / 15.9 = 5.96

Давайте приблизим N ( aux) до 6 и узнайте конкретное выходное напряжение.

В (сек) / (В (доп.) + Vd) = NA = N (сек) / N (доп.) = 96/6 = 16,0

(V (доп.) + Vd) = В (сек) / нет данных = 310 В / 16,0 = 19,375 В

В (доп.) = 19,375 В — 0,5 В = 18,875 В (ближайшее доступное значение)

Честно говоря, мы могли бы почувствовать, что это идеально подходит для вспомогательного источника.В случае, если в ходе ваших вычислений вы пришли к напряжению, которое слишком сильно отличается от основного целевого напряжения и, следовательно, требуется большая точность, считайте V (доп.) Чем-то большим и включите регулятор напряжения.

В качестве примера, когда на нашей предыдущей иллюстрации вместо 18,875 В мы получили 19,8 В, но хотели еще большей точности и надежности, мы могли бы применить 24 В или около того и применить стабилизатор напряжения для обеспечения выхода 19 В.

Значит, вот оно и есть.Наш трансформатор имеет 3 витка + 3 витка для первичной обмотки, ДЕВЯТЬ-ШЕСТЬ витков для вторичной обмотки и шесть витков для вспомогательной.

Вот наш доработанный трансформатор с идеально рассчитанным коэффициентом намотки и ферритовым сердечником:

Расчет необходимого количества витков для любого ферритового трансформатора — действительно простой процесс, и я хочу, чтобы это конкретное руководство позволило вам удобно спроектировать ферритовый трансформатор.

Конструкция индуктора с магнитными ферритовыми сердечниками

Следующее руководство по дизайну также можно загрузить в формате PDF.По другим вопросам, касающимся конструкции индуктора с ферритовыми сердечниками Magnetics, обращайтесь к нашим инженерам по применению или отправьте запрос на разработку индивидуального индуктора.

Сердечники и сердечники из феррита E

обладают такими преимуществами, как снижение стоимости и низкие потери в сердечнике на высоких частотах. Для импульсных регуляторов рекомендуются силовые материалы из-за их температурных характеристик и характеристик смещения постоянного тока. Добавляя воздушные зазоры к этим формам феррита, можно эффективно использовать сердечники, избегая при этом насыщения.

Эти процедуры выбора сердечника упрощают конструкцию катушек индуктивности для применения в импульсных регуляторах. Можно определить наименьший размер сердечника, принимая коэффициент намотки 50% и допустимую нагрузку на провод 500 круговых мил на ампер.

Должны быть известны только два параметра проектных заявок:
(a) Требуемая индуктивность при смещении постоянного тока
(b) Постоянный ток

1. Вычислить произведение LI², где:
L = требуемая индуктивность при смещении постоянного тока (миллигенри)
I = максимальный выходной ток постоянного тока + пульсация 1/2 переменного тока

2. Найдите значение LI² в таблице выбора ферритового сердечника ниже.
Следуйте этой координате на пересечении с первой кривой размера ядра. Считайте максимальную номинальную индуктивность, A L , по оси Y. Это наименьший размер сердечника и максимальный размер A L , при котором можно избежать насыщения.

3. Любая линия размера сердечника, пересекающая координату LI², представляет собой работоспособный сердечник для катушки индуктивности, если значение сердечника A L меньше максимального значения, полученного на диаграмме.

4. Требуемая индуктивность L, размер сердечника и номинальная индуктивность сердечника (A L ) известны.
Рассчитайте количество витков, используя

где L в миллигенри.

5. Пример: если I MAX = 8 ампер; L, требуемая индуктивность = 100 мкГенри
LI² = (0,100 мГн) X (8² Ампер) = 6,4 миллиджоулей

6. Доступно множество ферритовых сердечников, обеспечивающих необходимую энергию.
Любой размер ядра, с которым пересекается координата LI², может использоваться при значении A L , показанном на диаграмме.

7. Некоторые варианты выбора, основанные на значении LI² 6,4 миллиджоулей:
Сердечник котла 43622 A L = 400 Двойная плита 43622 A L = 250
PQ сердечник 43220 A L = 300 E сердечник 44317 A L = 250

8. Для следующих значений AL необходимое количество оборотов составляет:
A L = 400, N = 16 A L = 300, N = 19 A L = 250, N = 20
Убедитесь, что выбранный размер провода выдерживает ток и подходит для сердечника.

Кривые выше представляют геометрическое место точек, до которых эффективная проницаемость остается постоянной. Они показывают максимально допустимое смещение постоянного тока в ампер-витках без уменьшения индуктивности. За пределами этого уровня индуктивность быстро падает.

Пример: Сколько ампер-витков может поддерживать сердечник потенциометра 0R42213A315 без уменьшения значения индуктивности?
le = 3.12 см μ e = 125

Максимально допустимая H = 25 Эрстед (из графика выше)
NI (максимум) = 0,80 x H x le = 62,4 ампер-витка
или (Используя верхнюю шкалу, максимально допустимая H = 20 A • T / см)
NI (максимум) = A • T / см x le
= 20 х 3,12
= 62,4 А • Т

скачать PDFЗагрузить инструмент для проектирования индукторовContact Magnetics

Как спроектировать ферритовые трансформаторы различной топологии?

Ферритовый трансформатор имеет магнитный сердечник, в котором обмотки катушки (индуктора) выполнены на компоненте ферритового сердечника.Он предлагает низкие потери на вихревые токи. Обычно он используется для высокочастотных приложений. Распространенными типами ферритовых сердечников являются тороидальный, закрытый, корпусный и цилиндрический.

В зависимости от схемотехники, типов сердечников и применения трансформаторов существуют разные топологии и названия. К ним относятся тип оболочки, pushpull, полумост и flyback. Независимо от топологии, при проектировании ферритовых трансформаторов следует учитывать некоторые моменты, включая рабочую частоту и температуру, стоимость единицы, размер и форму.Они должны соответствовать уровням напряжения источника и нагрузки, обеспечивать электрическую изоляцию, предотвращать насыщение сердечника и минимизировать потери в сердечнике.

Размер и частота работы ферритового трансформатора зависит от двух основных сфер применения: сигнала и мощности. Ферритовый трансформатор, используемый в сигнальных приложениях, имеет небольшие размеры и имеет более высокие частоты (в диапазоне мегагерц). Тот, который используется в энергетических приложениях, большой и имеет более низкие частоты (обычно от 1 кГц до 200 кГц).

Этапы проектирования ферритового трансформатора

Приложение

Перед проектированием трансформатора проверьте свои требования и точное применение.Это может включать входное напряжение, выходное напряжение, ток и рабочую частоту. Затем рассмотрите другие параметры, такие как физический размер, расстояние, способ монтажа, изоляция, токи утечки и температура.

Рис. 1. Различные типы ферритовых сердечников (Источник: www.yeng-tat.com) Рис. 2: Различные типы шпуль (Источник: www.ramsales.net)

Выбор сердечника

Для большинства типов сердечников требуются бобины, которые подходят для выбранных сердечников и помогают в установке готового продукта. Убедитесь, что шпульки и материалы доступны на местном рынке.Затем рассчитайте правильное количество витков, потери мощности и другие параметры. Вы можете обратиться к формулам, представленным на следующих сайтах:

Сайт 1

Сайт 2

Сайт 3

Обмотка

Необходимо определить ток первичной обмотки и размер провода. Первичный ток равен общей выходной мощности плюс потери мощности трансформатора, деленной на первичное напряжение.

Далее идет количество витков, необходимых для вторичной обмотки. Для этого проверьте, подходят ли провода к области намотки на шпульке, высоту и среднюю длину витков по механическому чертежу.

Включите изоляцию между обмотками, учитывая общую высоту обмотки.

Проверка

Проверьте конструкцию, измерив напряжение холостого хода и напряжение нагрузки на вторичной обмотке. Для этого рассчитайте сопротивление каждой обмотки. Затем рассчитайте падение напряжения на этой обмотке, умножив сопротивление и ток в обмотке.

Рассчитайте напряжение холостого хода и напряжение нагрузки на вторичной обмотке, используя формулы, приведенные на вышеупомянутых веб-сайтах.

Расчет температуры

Допустимое превышение температуры зависит от области применения и разработчика. Две основные причины повышения температуры трансформатора — это потери мощности в сердечнике и потери мощности в обмотке. Их можно рассчитать по стандартным формулам.


Как работают ферритовые шарики и как выбрать подходящий? | Блог о проектировании печатных плат

Altium Designer

| & nbsp Создано: 29 июня 2017 г. & nbsp | & nbsp Обновлено: 30 ноября 2020 г.

Ферритовые шарики обычно используются для подавления высокочастотных электромагнитных помех

Иногда мне хочется видеть электромагнитные волны.Это значительно упростило бы обнаружение электромагнитных помех. Вместо того, чтобы возиться со сложными настройками и анализаторами сигналов, я мог просто посмотреть и понять, о чем идет речь. Хотя мы не можем видеть электромагнитные помехи, иногда мы можем слышать их, когда они проходят через аудиосхемы. Одно из возможных исправлений такого рода помех — ферритовый валик.

К сожалению, ферритовые бусины (также называемые ферритовым дросселем, ферритовым зажимом, ферритовым кольцом, бусинкой фильтра EMI или даже кольцевым кольцевым фильтром) могут быть загадкой.Функция ферритового сердечника напоминает функцию катушки индуктивности, но частотная характеристика феррита отличается от этой функции на высоких частотах. Кроме того, различные типы бусин, такие как бусины из феррита с проволочной обмоткой и бусины из чип-феррита, по-разному реагируют на снижение шума. Например, ферритовые бусины с проволочной обмоткой работают в широком диапазоне частот, но при постоянном токе обладают меньшим сопротивлением. Чтобы использовать их правильно, вам необходимо понимать их электромагнитные характеристики и то, как они меняются во время использования.После того, как вы разберетесь с теорией, лежащей в основе использования ферритовых шариков, вы можете сознательно выбрать один для своей печатной платы. Если вы этого не сделаете, вы можете в конечном итоге вызвать больше проблем, чем исправить.

На этом изображении показано, почему ферритовый шарик иногда называют ферритовым кольцом или ферритовым дросселем

Что такое ферритовый шарик и как работают ферритовые шарики?

Ферритовые шарики — это пассивные электронные компоненты, которые могут подавлять высокочастотные сигналы в линии электропитания.Обычно они размещаются вокруг пары линий питания / заземления, которые поступают на конкретное устройство, например шнур питания для вашего ноутбука. Эти шарики работают в соответствии с законом Фарадея: магнитный сердечник вокруг проводника индуцирует обратную ЭДС в присутствии высокочастотного сигнала, существенно ослабляя частотную характеристику феррита. Стандартные ферритовые бусины можно приобрести у специализированных производителей, таких как Coilcraft, хотя для некоторых проектов могут потребоваться специальные бусины.

Ферриты — это магнитные материалы, и размещение этого материала в ферритовом зажиме вокруг линии питания / заземления позволяет создать источник индуктивного сопротивления для сигналов, проходящих через линию.Это может побудить вас подумать о них как о стандартных индукторах, но они более сложные, чем это. На самом деле ферритовый валик — это нелинейный компонент; Изменения импеданса, которые он обеспечивает, были током нагрузки и падением напряжения на феррите. Упрощенная схема ферритовой бусины поможет понять ее частотные характеристики. Однако имейте в виду, что эти атрибуты могут изменяться в зависимости от тока и температуры.


Ток нагрузки может изменить импеданс феррита.

Для чего используются ферритовые шарики?

Поскольку импеданс ферритового шарика является индуктивным, индукторы с ферритовым шариком используются для ослабления высокочастотных сигналов в электронных компонентах. Когда дроссель с ферритовым шариком помещается на линию электропередачи, соединяющую с электронным устройством, он устраняет любой паразитный высокочастотный шум, присутствующий в силовом соединении или выходящий из источника питания постоянного тока. Использование ферритовых зажимов — один из многих подходов к подавлению шума, например, от импульсного источника питания.Такое применение ферритовых шариков в качестве ферритового фильтра обеспечивает подавление и устранение наведенных электромагнитных помех.

Среди различных применений ферритовых шариков в качестве фильтров, шарик фильтра EMI / шарик фильтра источника питания обычно рассчитан на определенный порог постоянного тока. Токи, превышающие указанное значение, могут повредить компонент. Беспокоит то, что на этот предел сильно влияет тепло. При повышении температуры номинальный ток быстро уменьшается. Номинальный ток также влияет на импеданс феррита.По мере увеличения постоянного тока ферритовый шарик «насыщается» и теряет индуктивность. При относительно высоких токах насыщение может снизить импеданс ферритового шарика до 90%.

Ферритовый шарик и индуктор

Хотя ферритовый валик можно смоделировать как катушку индуктивности, катушки индуктивности с ферритовым валиком не ведут себя как типичная катушка индуктивности. Если вам интересно, как измерить поведение ферритового шарика по сравнению с поведением индуктора, вы должны послать аналоговый сигнал через шарик и изменить частоту на несколько порядков.Если вы создадите график Боде для измерений с разверткой по частоте для ферритового шарика, вы обнаружите, что ферритовый шарик обеспечивает более крутой спад на более высоких частотах по сравнению с индуктором с аналогичными низкочастотными характеристиками.

Простая, но точная модель ферритовой бусины, подключенной к источнику переменного тока.

Ферритовую бусину можно смоделировать как конденсаторы и катушки индуктивности, а также как резистор, включенный параллельно этой RLC-сети, соединенной последовательным резистором.Последовательный резистор определяет сопротивление устройства постоянному току. Катушка индуктивности в этой модели представляет собой ферритовые шарики, основная функция которых заключается в ослаблении высокочастотных сигналов, то есть обеспечении индуктивного сопротивления в соответствии с законом Фарадея. Параллельный резистор в этой модели учитывает потери вихревых токов, которые индуцируются внутри ферритового шарика на высоких частотах. Наконец, конденсатор в этой модели учитывает естественную паразитную емкость компонента.

Если посмотреть на кривую импеданса ферритового шарика, то сопротивление, в первую очередь резистивное, чрезвычайно велико только в тонкой полосе.В этой тонкой полосе преобладает индуктивность шарика. На более высоких частотах импеданс ферритового шарика начинает казаться емкостным, и импеданс быстро уменьшается. В конце концов, по мере того, как частота продолжает увеличиваться, емкостное сопротивление упадет до очень небольшого значения, а импеданс ферритового шарика окажется чисто резистивным.


Ферритовый сердечник в ферритовом валике выполняет ту же функцию, что и ферритовый сердечник в трансформаторе.

Руководство по выбору ферритовых шариков

Теперь, когда у вас есть теория ферритов, пришло время выбрать ее для вашего устройства.Это не очень сложно, и если вы хотите знать, как выбрать ферритовую бусину для дизайна, вам просто нужно обратить внимание на ее характеристики. Вы можете спросить, нужны ли ферритовые бусины для моей конструкции? Как и на многие инженерные решения, ответ не так прост. Если вы знаете, что ваша плата будет испытывать наведенные электромагнитные помехи в определенном частотном диапазоне, и вам необходимо ослабить эти частоты, тогда ферритовый шарик может быть правильным выбором для вашей конструкции.

Основываясь на индуктивном поведении ферритовых шариков, естественно сделать вывод, что ферритовые шарики «ослабляют высокие частоты» без особого дальнейшего рассмотрения.Однако ферритовые шарики не действуют как широкополосный фильтр нижних частот, поскольку они могут помочь ослабить только определенный диапазон частот. Вы должны выбрать ферритовый шарик и дроссель, если нежелательные частоты находятся в полосе сопротивления. Если вы опуститесь немного слишком низко или слишком высоко, бусинка не даст желаемого эффекта.

Перед тем, как выбрать конкретную ферритовую бусину для своей конструкции, вы должны посмотреть, может ли производитель предоставить вам кривые зависимости импеданса от тока нагрузки для ферритовой бусины.Безусловно, это лучший инструмент, который вы можете использовать, если не знаете, как выбрать ферритовый шарик. Если токи нагрузки очень велики, вам необходимо выбрать ферритовый шарик, который сможет выдержать их, не насыщая и не теряя своего импеданса в желаемом диапазоне частот.

Предупреждения

Ферритовые бусины и ферритовые дроссели являются резистивными нагрузками на высоких частотах, что означает, что они могут вызвать некоторые проблемы в вашей цепи. При размещении бусинки нужно учитывать падение напряжения и рассеивание тепла.

Во времена цепей с более высоким напряжением падение напряжения не было большой проблемой. Теперь у нас есть множество схем с низким энергопотреблением, которые могут работать с напряжением около 2 В. На таких уровнях вы не можете позволить себе много потерять. Ферритовые шарики вызывают падение постоянного напряжения в вашей цепи. Может показаться, что это не так уж много, но если ваши интегральные схемы (ИС) имеют короткое состояние с высоким током потребления, потери могут стать значительными. Разместите ферритовые бусины там, где они не будут вызывать проблем с падением напряжения.

Поскольку ферритовые материалы обладают сопротивлением на высоких частотах, они в основном рассеивают поглощенную энергию в виде тепла.Это тепло не обязательно является проблемой для вашей печатной платы, когда ферритовый дроссель используется в линии питания, но он может стать таковым, когда он используется для рассеивания высоких частот при высоком токе. Если ваша система особенно шумная, и шарик будет поглощать много высоких частот, это тепло может стать более серьезной проблемой. Обязательно примите во внимание рассеивание тепла шариком.


Импеданс ферритового шарика будет изменяться в зависимости от температуры.

Ферритовые бусины могут быть весьма полезными, но только в том случае, если вы точно понимаете, как они работают.Помните, что они ослабляют сигналы в довольно небольшой полосе, а их эффективность зависит от температуры и тока нагрузки. Чтобы наилучшим образом использовать ферритовый шарик, убедитесь, что он точно соответствует вашим требованиям. Затем при установке борта обязательно учитывайте падение напряжения и нагрев.

Мы часто обсуждаем важность и функцию ферритовых шариков. Если вам нужна дополнительная информация о ферритовых шариках, ознакомьтесь со статьей «Все, что вам нужно знать о ферритовых шариках» отраслевого эксперта Келлы Нэк.

Работа с такими вещами, как ферритовые шарики, может быть трудной, но проектирование печатной платы не обязательно. Altium Designer ® — это новейшее программное обеспечение для проектирования печатных плат с инструментами, которые помогут вам построить оптимальную плату. У него даже есть надстройки, такие как сеть подачи питания, которые могут помочь вам справиться с такими проблемами, как падение напряжения и рассеивание тепла.

Есть еще вопросы о ферритовых шариках? Вызовите специалиста Altium.

Рассчитать рабочую температуру трансформатора?

Сопротивление обмотки постоянному току изменяется в зависимости от температуры.Для меди это 0,0039 Ом / ° C / ° C. Итак, просто измерьте сопротивление первичной обмотки перед включением трансформатора, а также обратите внимание на температуру в помещении. Мы назовем это холодным сопротивлением Rc и холодной температурой Tc. Затем дайте трансформатору поработать под нагрузкой минимум 1,5 часа, затем отключите питание и снова измерьте сопротивление. Мы будем называть это горячее сопротивление Rh. Тогда внутренняя температура составляет:

Th = Tc + Rh / (0,0039 * Rc) -1 / 0,0039

(Что касается 1,5-часового теста, я обнаружил, что даже очень маленьким трансформаторам потребуется это время для достижения теплового равновесия, однако , если у вас сиротский трансформатор без mfgr.данных и не имеете представления о номинальной мощности трансформатора в ВА, тогда вам следует начать с очень скромной нагрузки и каждые несколько минут проверять горячую температуру, чтобы убедиться, что она не сильно перегружена.)

Для проведения теста, может быть удобнее заранее определить значение сопротивления, соответствующее максимально допустимой расчетной температуре. Допустим, 90 °. Итак, тогда просто нужно убедиться, что сопротивление обмотки не превышает этого значения. Формула:

Rh = Rc * (0.0039 * (Th-Tc) +1)

Итак, допустим, вы измеряете первичную обмотку трансформатора при 20 ° C (комнатная температура) и получаете значение 150 Ом. Применяя вышеприведенную формулу, получается, что Rh составляет 191 Ом. Итак, если горячее сопротивление первичной обмотки никогда не превышает 191 Ом, с вами все в порядке.

Проще говоря:
Горячее сопротивление любой обмотки трансформатора никогда не должно превышать холодное сопротивление более чем в 1,27 раза.

Я рекомендую измерить сопротивление первичной обмотки, потому что повышение температуры будет учитывать все потери, обычно это внутренняя обмотка, которая наиболее критична для температуры, и обычно имеет сопротивление, достаточно высокое для измерения с разумной точностью.

Если трансформатор имеет несколько вторичных обмоток, вы можете провести тот же тест еще раз, но измерив сопротивление вторичных обмоток, чтобы определить их пределы нагрузки.

Я также должен упомянуть, что 90 ° C слишком горячее, чтобы дотронуться до него, и поэтому вы можете подумать, что это слишком сильно давит на вещи.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *