О расчете трансформаторов: толщина обмотки и сечения сердечника, сопротивление

Конструкция трансформатора

Если посмотреть на трансформатор с внешней стороны, то это Ш-образное устройство, состоящее из металлического сердечника, картонного или пластикового каркаса и обмотки из медной проволоки. Обмоток две.
Сердечник – это несколько стальных пластин, которые обработаны специальным лаком и соединены между собой. Лак наносится специально, чтобы между пластинами не проходило напряжение. Таким способом борются с так называемыми вихревыми токами (токами Фуко). Все дело в том, что токи Фуко просто будут нагревать сам сердечник. А это потери.

Именно с потерями связан и состав пластин сердечника. Трансформаторное железо (так чаще всего называют сталь для сердечника специалисты), если посмотреть ее в разрезе, состоит из больших кристаллов, которые, в свою очередь, изолированы друг от друга окисной пленкой.

Можно ли использовать планарный трансформатор

Конечно, можно. Но, вопрос в том, нужно ли. Планарным трансформатором зовут устройство на основе распечатанной платы. Использование подобных моделей незаменимо для компактной техники, вроде телефонов, компьютеров и прочего.

Однако, если речь идет о замене или самостоятельном конструировании прибора, то столь инновационная технология не нужна в силу дороговизны и сложности монтажа.

Не нужно изобретать велосипед: есть целый ряд методик расчета, создания и монтажа традиционных трансформаторов, которые готовы выполнить для пользователя практически любую задачу. Использование планарного трансформатора оправдано только при предъявлении к устройству требования особой компактности и мобильности.

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Обмотка, на которую подают напряжение называется первичной. В народе ее еще называют “первичка”. Обмотка, с которой уже снимают напряжение называется вторичной или “вторичка”.

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220М50Hz (RED-RED) – это говорит нам о том, что два красных провода – это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 Вольт. Почему я думаю, что это первичка? I/P – значит InPut, что в переводе “входной”.

O/P: 12V 0,4A (BLACK, BLACK) – вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением в 12 Вольт (OutPut). Максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот трансформатор – это 0,4 Ампера или 400 мА.

Принцип работы устройства

Трансформатор — это электротехническое устройство, предназначенное для передачи энергии без изменения её формы и частоты. Используя в своей работе явление электромагнитной индукции, устройство применяется для преобразования переменного сигнала или создания гальванической развязки. Каждый трансформатор собирается из следующих конструктивных элементов:

• сердечника;
• обмотки;
• каркаса для расположения обмоток;
• изолятора;
• дополнительных элементов, обеспечивающих жёсткость устройства.

В основе принципа действия любого трансформаторного устройства лежит эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с текущим по нему электрическим током. Такое поле также возникает вокруг магнитов. Током называется направленный поток электронов или ионов (зарядов). Взяв проволочный проводник и намотав его на катушку и подключив к его концам прибор для измерения потенциала можно наблюдать всплеск амплитуды напряжения при помещении катушки в магнитное поле. Это говорит о том, что при воздействии магнитного поля на катушку с намотанным проводником получается источник энергии или её преобразователь.

В устройстве трансформатора такая катушка называется первичной или сетевой. Она предназначена для создания магнитного поля. Стоит отметить, что такое поле обязательно должно всё время изменяться по направлению и величине, то есть быть переменным.

Классический трансформатор состоит из двух катушек и магнитопровода, соединяющего их. При подаче переменного сигнала на контакты первичной катушки возникающий магнитный поток через магнитопровод (сердечник) передаётся на вторую катушку. Таким образом, катушки связаны силовыми магнитными линиями. Согласно правилу электромагнитной индукции при изменении магнитного поля в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Поэтому в первичной катушки возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной ЭДС взаимоиндукции.

Количество витков на обмотках определяет амплитуду сигнала, а диаметр провода наибольшую силу тока. При равенстве витков на катушках уровень входного сигнала будет равен выходному. В случае когда вторичная катушка имеет в три раза больше витков, амплитуда выходного сигнала будет в три раза больше, чем входного — и наоборот.

От сечения провода, используемого в трансформаторе, зависит нагрев всего устройства. Правильно подобрать сечение возможно, воспользовавшись специальными таблицами из справочников, но проще использовать трансформаторный онлайн-калькулятор.

Отношение общего магнитного потока к потоку одной катушки устанавливает силу магнитной связи. Для её увеличения обмотки катушек размещаются на замкнутом магнитопроводе. Изготавливается он из материалов имеющих хорошую электромагнитную проводимость, например, феррит, альсифер, карбонильное железо. Таким образом, в трансформаторе возникают три цепи: электрическая — образуемая протеканием тока в первичной катушке, электромагнитная — образующая магнитный поток, и вторая электрическая — связанная с появлением тока во вторичной катушке при подключении к ней нагрузки.

Правильная работа трансформатора зависит и от частоты сигнала. Чем она больше, тем меньше возникает потерь во время передачи энергии. А это означает, что от её значения зависят размеры магнитопровода: чем частота больше, тем размеры устройства меньше. На этом принципе и построены импульсные преобразователи, изготовление которых связано с трудностями разработки, поэтому часто используется калькулятор для расчёта трансформатора по сечению сердечника, помогающий избавиться от ошибок ручного расчёта.

Принцип работы

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

Схема: подключение импульсного трансформатора

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

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

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ p =L 0 /R н

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В max – В r

• В max – уровень максимального значения индукции;
• В r –остаточный.

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

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U 2 , в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i u).

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

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t u остается неизменным, его значение е t =U m . Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

при этом:

• Ψ – параметр потокосцепления;
• S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.

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

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром t u , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

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

U m x t u =S x W 1 x ∆В

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

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

Здесь:

• L 0 – перепад индукции;
• µ а – магнитная проницаемость сердечника;
• W 1 – число витков первичной обмотки;
• S – площадь сечения сердечника;
• l cр – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
• В r – величина остаточной индукции;
• В max – уровень максимального значения индукции.
• H m – Напряженность магнитного поля (максимальная).

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

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора

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

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

Назначение и функциональность

Итак, какие функции выполняет трансформатор?

1. Это снижение напряжения до необходимых параметров.
2. С его помощью снижается гальваническая развязка сети.

Что касается второй функции, то необходимо дать пояснения. Обе обмотки (первичная и вторичная) трансформатора тока между собой напрямую не соединены. Значит, сопротивление прибора, по сути, должно быть бесконечным. Правда, это идеальный вариант. Соединение же обмоток происходит через магнитное поле, создаваемой первичной обмоткой. Вот такой непростой функционал.

Как измерить диаметр провода

Если у Вас дома завалялся микрометр, то можно им замерить диаметр провода.

Провод сначала лучше прогреть на пламени спички и лишь потом скальпелем удалить ослабленную изоляцию. Если этого не сделать, то вместе с изоляцией можно удалить и часть меди, что снизит точность измерения особенно для тонкого провода.

Если микрометра нет, то можно воспользоваться обыкновенной линейкой. Нужно намотать на жало отвёртки или на другую подходящую ось 100 витков провода, сжать витки ногтем и приложить полученный набор к линейке. Разделив полученный результат на 100, получим диаметр провода с изоляцией. Узнать диметр провода по меди можно из таблицы приведённой ниже.

Пример.

Я намотал 100 витков провода и получил длину набора –39 мм.

39 / 100 = 0,39 мм

По таблице определяю диметр провода по меди – 0,35мм.

Таблица данных обмоточных проводов

Виды сердечников

Трансформаторы отличаются между собой не только сферой применения, техническими характеристиками и размерам, но и типом магнитопровода. Очень важным параметром, влияющим на величину магнитного поля, кроме отношения витков, является размер сердечника. От его значения зависит способность насыщения. Эффект насыщения наступает тогда, когда при увеличении тока в катушке величина магнитного потока остаётся неизменной, т. е. мощность не изменяется. Для предотвращения возникновения эффекта насыщения понадобится правильно рассчитать объём и сечение сердечника, от размеров которого зависит мощность трансформатора. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.

По конструкции сердечник разделяют на три основных вида:

• стержневой;
• броневой;
• тороидальный.

Стержневой магнитопровод представляет собой П-образный или Ш-образный вид конструкции. Собирается из стержней, стягивающихся ярмом. Для защиты катушек от влияния внешних электромагнитных сил используются броневые магнитопроводы. Их ярмо располагается на внешней стороне и закрывает стержень с катушкой. Тороидальный вид изготавливается из металлических лент. Такие сердечники из-за своей кольцевой конструкции экономически наиболее выгодны.

Зная форму сердечника, несложно рассчитать мощность трансформатора. Находится она по несложной формуле: P=(S/K)*(S/K), где:

• S — площадь сечения сердечника.
• K — постоянный коэффициент равный 1,33.

Площадь сердечника находится в зависимости от его вида, её единица измерения — сантиметр в квадрате. Полученный результат измеряется в ваттах. Но на практике часто приходится выполнять расчёт сечения сердечника по необходимой мощности трансформатора: Sс = 1.2√P, см2. Исходя из формул можно подтвердить вывод: что чем больше мощность изделия, тем габаритней используется сердечник.

Программы для расчета

Известно много программ, которые предлагают онлайн расчет параметров любого трансформатора на броневом или стержневом сердечнике. Одной из таких может стать сервис на сайте «skrutka». Для определения характеристик потребуется указать ряд следующих данных:

• входное напряжение — U1;
• выходное напряжение — U2;
• ширину пластины — а;
• толщину стопки — b ;
• частоту сети — Гц;
• габаритная мощность — В*А;
• КПД;
• магнитную индуктивность магнитопровода — Тл;
• плотность тока в обмотках — А/мм кв.

Последние 4 величины являются табличными, поэтому потребуется воспользоваться справочником.

Необходимо грамотно и ответственно отнестись к расчету параметров трансформатора, потому что от качества выполненной работы будет зависеть и качество функционирования вашего блока питания. Не всегда стоит надеяться на программы, в них могут быть ошибки. Выберите один или несколько параметров и пересчитайте их вручную по ранее приведенным формулам. Если получится примерно равное значение, то результат можно считать правильным.

Какую схему питания УНЧ выбрать?

Для питания микросхемы, я решил использовать двухполярное питание.

При двухполярном питании не требуется бороться с фоном и щелчками при включении. Кроме того, отпадает необходимость в разделительных конденсаторах на выходе усилителя.

Ну, и самое главное, микросхемы, рассчитанные на однополярное питание и имеющие соизмеримый уровень искажений, в несколько раз дороже.

Это схема блока питания. В нём применён двухполярный двухполупериодный выпрямитель, которому требуются трансформатор с двумя совершенно одинаковыми обмотками «III» и «IV» соединёнными последовательно. Далее все основные расчёты будут вестись только для одной из этих обмоток.

Обмотка «II» предназначена для питания электронных регуляторов громкости, тембра и стереобазы, собранных на микросхеме TDA1524. Думаю описать темброблок в одной из будущих статей.

Ток, протекающий через обмотку «II» будет крайне мал, так как микросхема TDA1524 при напряжении питания 8,5 Вольта потребляет ток всего 35мА. Так что потребление здесь ожидается менее одного Ватта и на общей картине сильно не отразится.

Расчет трансформатора онлайн

Существует формула расчета трансформатора, которая помогает совершить расчет трансформатора питания. Чтобы упростить себе жизнь и избежать ошибок в вычислениях, вы можете воспользоваться данной программой. Она позволит вам конструировать трансформаторы на различные напряжения и мощности очень быстро и без проблем. Это очень удобный калькулятор для радиолюбителей и профессионалов. Он поможет не только рассчитать трансформатор, но и поможет изучить его устройство, как всё работает. Это самый простой и быстрый способ всё рассчитать. Для этого нужно заполнить все известные вам данные и нажать кнопку. Получается вам нужно нажать одну кнопку, чтобы произвести расчет трансформатора!

Преимущества онлайн калькулятора

В результате расчета трансформатора онлайн, на выходе получаются параметры в виде мощности, силы тока в амперах, количества витков и диаметра провода в первичной и вторичной обмотке.

Существуют формулы, позволяющие быстро выполнить расчеты трансформатора. Однако они не дают полной гарантии от ошибок при проведении вычислений. Чтобы избежать подобных неприятностей, применяется программа онлайн калькулятора.

Полученные результаты позволяют выполнять конструирование трансформаторов для различных мощностей и напряжений. С помощью калькулятора осуществляются не только расчеты трансформатора. Появляется возможность для изучения его устройства и основных функций.

Запрошенные данные вставляются в таблицу и остается только нажать нужную кнопку.

Благодаря онлайн калькулятору не требуется проводить каких-либо самостоятельных подсчетов. Полученные результаты позволяют выполнять перемотку трансформатора своими руками.

Большинство необходимых расчетов осуществляется в соответствии с размерами сердечника. Калькулятор максимально упрощает и ускоряет все вычисления.

Необходимые пояснения можно получить из инструкции и в дальнейшем четко следовать их указаниям.

Конструкция трансформаторных магнитопроводов представлена тремя основными вариантами – броневым, стержневым и тороидальным. Прочие модификации встречаются значительно реже. Для расчета каждого вида требуются исходные данные в виде частоты, входного и выходного напряжения, выходного тока и размеров каждого магнитопровода.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику. Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор. Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

• напряжение первичной и вторичной обмотки;
• габаритны сердечника;
• толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

• U1 — напряжение первичной обмотке, В.
• S — площадь сердечника, см².
• K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

• d — диаметр провода, мм.
• I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

Как рассчитать и намотать силовой низкочастотный трансформатор для блока питания УНЧ?

Эта тема возникла в связи с написанием статьи о самодельном усилителе низкой частоты. Хотел продолжить повествование, рассказав о блоке питания и добавив ссылку на какую-нибудь популярную статью о перемотке трансформаторов, но не нашёл простого понятного описания. Что ж поделаешь, всё нужно делать самому. https://oldoctober.com/

В этом опусе я расскажу, на примере своей конструкции, как рассчитать и намотать силовой трансформатор для УНЧ. Все расчёты сделаны по упрощённой методике, так как в подавляющем большинстве случаев, радиолюбители используют уже готовые трансформаторы. Статья рассчитана на начинающих радиолюбителей.

Как определить необходимую мощность силового трансформатора для питания УНЧ?

Я решил собрать простой усилитель мощностью 8-10 Ватт в канале, на самых дешёвых микросхемах, которые только удалось найти на местном радиорынке. Ими оказались – TDA2030 ценой всего по 0,38$.

Предполагаемая мощность в нагрузке должна составить 8-10 Ватт в канале:

10 * 2 = 20W

КПД микросхемы TDA2030 по даташиту (datasheet) – 65%.

20 / 0,65 = 31W

Я подобрал трансформатор с витым броневым магнитопроводом, так что, КПД можно принять равным – 90%.https://oldoctober.com/

31 / 0,9 = 34W

Приблизительно оценить КПД трансформатора можно по таблице

Значит, понадобится сетевой трансформатор мощностью около 30-40 Ватт. Такой трансформатор должен весить около килограмма или чуть больше, что, на мой взгляд, прибавит моему мини усилителю устойчивости и он не будет «бегать» за шнурами.

Расчет сетевого трансформатора

• Если у Вас есть некий трансформаторный сердечник, из которого нужно сделать трансформатор, то необходимо замерить сердечник (как показано на рисунке), а так же замерить толщину пластины или ленты.
• Первым делом необходимо рассчитать площадь сечения сердечника — Sc (см²) и площадь поперечного сечения окна — Sо (см²).
• Для тороидального трансформатора:

• Sc= H * (D – d)/2
• S0= π * d2/ 4

Для Ш и П — образного сердечника:

Определим габаритную мощность нашего сердечника на частоте 50 Гц:

• η — КПД трансформатора,
• Sc — площадь поперечного сечения сердечника, см2,
• So — площадь поперечного сечения окна, см2,
• f — рабочая частота трансформатора, Гц,
• B — магнитная индукция, T,
• j — плотность тока в проводе обмоток, A/мм2,
• Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью,
• Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.

При расчете трансформатора необходимо учитывать, что габаритная мощность трансформатора должна быть больше расчетной электрической мощности вторичных обмоток.

Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:

• напряжение первичной обмотки U1
• напряжение вторичной обмотки U2
• ток вторичной обмотки l2
• мощность вторичной обмотки Р2 =I2 * U2 = Рвых
• площадь поперечного сечения сердечника Sc
• площадь поперечного сечения окна So
• рабочая частота трансформатора f = 50 Гц

КПД (η) трансформатора можно взять из таблицы, при условии что Рвых = I2 * U2 (где I2 ток во вторичной обмотке, U2 напряжение вторичной обмотки), если в трансформаторе несколько вторичных обмоток, что считают Pвых каждой и затем их складывают.

B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

j — плотность тока в проводе обмоток , так же выбирается в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью

Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью

Коэффициенты заполнения для пластинчатых сердечников указаны в скобках при изоляции пластин лаком или фосфатной пленкой.

При первоначальном расчете необходимо соблюдать условие —Pгаб ≥ Pвых, если это условие не выполняется то при расчете уменьшите ток или напряжение вторичной обмотки.

После того как Вы определились с габаритной мощностью трансформатора, можно приступить к расчету напряжения одного витка:

1. где Sc — площадь поперечного сечения сердечника, f — рабочая частота (50 Гц), B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.
2. Теперь определяем число витков первичной обмотки:
3. w1=U1/u1
4. где U1 напряжение первичной обмотки, u1 — напряжение одного витка.
5. Число витков каждой из вторичных обмоток находим из простой пропорции:

• где w1 — кол-во витков первичной обмотки, U1 напряжение первичной обмотки, U2 напряжение вторичной обмотки.
• Определим мощность потребляемую трансформатором от сети с учетом потерь:
• Р1 = Рвых / η
• где η — КПД трансформатора.
• Определяем величину тока в первичной обмотке трансформатора:
• I1 = P1/U1
• Определяем диаметры проводов обмоток трансформатора:
• d = 0,632*√ I
• где d — диаметр провода, мм, I — ток обмотки, А (для первичной и вторичной обмотки).

Все о блоках питания. Часть 1

Не секрет, что от правильного выбора блока питания (далее БП), его конструкции и качества сборки зависит работа устройства, на которое он нагружен. Здесь я постараюсь рассказать об основных моментах выбора, расчета, конструирования и применения блоков питания.

1. Выбор блока питания

Первым делом следует четко уяснить, что именно будет подключено к БП. Главным образом нас интересует ток нагрузки. Это будет основным пунктом ТЗ. По этому параметру будет подобрана схема и элементная база. Приведу примеры нагрузок и их средние потребляемые токи

1. Световые эффекты на светодиодах (20-1000мА)

2. Световые эффекты на миниатюрных лампах накаливания (200мА-2А)

3. Световые эффекты на мощных лампах (до 1000А)

4. Миниатюрные полупроводниковые радиоприемники (100-500мА)

5. Портативная аудиотехника (100мА-1А)

6. Автомобильные магнитолы (до 20А)

7. Автомобильные УМЗЧ (по линии 12В до 200А)

8. Стационарные полупроводниковые УМЗЧ (при выходной мощности не выше 1кВт до 40А)

9. Ламповые УМЗЧ (10мА-1А – анод, 200мА-8А – накал)

10. Ламповые КВ трансиверы [выходной каскад в классе С характеризуется наибольшим КПД] (при мощности передатчика до 1кВт, до 5А – анод, до 10А – накал)

11. Полупроводниковые КВ трансиверы, Си-Би (при мощности передатчика до 100Вт, 1 – 5А)

12. Ламповые УКВ радиостанции (при мощности передатчика до 50Вт, до 1А – анод, до 3А — накал)

13. Полупроводниковые УКВ радиостанции (до 5А)

14. Полупроводниковые телевизоры (до 5А)

15. Вычислительная техника, оргтехника, сетевые устройства [концентраторы LAN, точки доступа, модемы, роутеры] (500мА — 30А)

16. Зарядные устройства для АКБ (до 10А)

17. Управляющие блоки бытовой техники (до 1А)

Следует отметить, что во многих устройствах потребляемый ток в процессе работы может значительно колебаться. Это УМЗЧ, трансиверы (особенно в телеграфном режиме), мощные СДУ. Поэтому при выборе БП следует ориентироваться ни на средний потребляемый ток и уж тем более ни на ток в режиме молчания, а на пиковую потребляемую мощность. Для питания аналоговой электроники с потребляемой мощностью до 500Вт, я рекомендую линейные блоки питания. При чем многоканальные (с несколькими выходными напряжениями). Как правило, цепи с большим потребляемым током позволяют обойтись без стабилизации напряжения. Так же следует обратить внимание на развязку напряжений. Это, прежде всего, относится к аудиотехнике и аппаратуре радиосвязи. В ряде случаев может потребоваться даже гальваническая развязка между цепями (например при конструировании ламповых УМЗЧ класса Hi-End гальваническая развязка анодных цепей позволит избежать влияния выходного каскада на усилитель напряжения. В том числе перекроет паразитные ОС по питанию). Как это делается будет рассказано ниже. Для более мощной аналоговой техники, а так же любой цифровой можно рекомендовать импульсные БП, ибо тепловой режим и массогабаритные характеристики линейных БП такой мощности оставляют желать лучшего. Вообще мощные узлы аппаратуры не особенно взыскательны к питанию, за то от качества питания во многом зависит работа помехонеустойчивых слаботочных узлов. Итак, рассмотрим кормушку изнутри.

2. Правила безопасности

Не будем забывать, что БП это самый высоковольтный узел в любом устройстве (за исключением разве что телевизора). При чем опасность представляет не только промышленная электросеть (220В). Напряжение в анодных цепях ламповой аппаратуры может достигать десятков и даже сотен (в рентгеновских установках) киловольт (тысяч вольт). Поэтому все высоковольтные участки (включая общий провод) должны быть изолированы от корпуса. Это хорошо знает тот, кто поставив ногу на системный блок трогал батарею. Электрический ток может быть опасен не только для человека и животных, но и для самого устройства. Имеются ввиду пробои и короткие замыкания. Эти явления не только выводят из строя радиокомпоненты, но и весьма пожароопасны. Мне попадались некоторые изолирующие элементы конструкций, которые в следствии подачи высокого напряжения были пробиты и выгорели до угля при чем выгорели не полностью, а каналом. Уголь проводит ток и создает таким образом короткое замыкание (далее КЗ) на корпус. При чем внешне это не видно. Поэтому между двумя проводами, припаянными к плате, должно быть расстояние из расчета примерно 2мм на вольт. Если речь идет о смертельно опасных напряжениях, то в корпусе должны быть предусмотрены микропереключатели, которые автоматически обесточивают прибор при удалении стенки с опасного участка конструкции. Элементы конструкции, которые в процессе работы сильно нагреваются (радиаторы, мощные полупроводниковые и электровакуумные приборы, резисторы мощностью свыше 2Вт) должны быть вынесены с платы (наилучший вариант) или хотя бы приподняты над ней. Так же не допускается касание корпусов разогревающихся радиоэлементов, за исключением тех случаев, когда второй элемент является датчиком температуры первого. Такие элементы не разрешается заливать эпоксидной смолой и другими компаундами. Более того, должен быть обеспечен приток воздуха к участкам с большой рассеиваемой мощностью, а при необходимости и принудительное охлаждение (вплоть до испарительного). Так. Страху нагнал, теперь о работе.

3. Законы Ома и Кирхгофа были и будут основой разработки любого электронного устройства.

3.1. Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку и обратно пропорциональна сопротивлению участка. На этом принципе основана работа всех ограничительных, гасящих и балластных резисторов.

Эта формула хороша тем, что под «U» можно подразумевать как напряжение на нагрузке, так и напряжение на участке цепи, последовательно соединенном с нагрузкой. Например у нас есть лампочка на 12В/20Вт и источник 17В, к которому нам нужно подключить эту лампочку. Нам нужен резистор, который понизит 17В до 12.

Рис.1

Итак, мы знаем что при последовательном соединении элементов напряжения на них могут отличаться, но ток всегда одинаковый на любом участке цепи. Вычислим ток, потребляемый лампочкой:

Значит, через резистор протекает такой же ток. В качестве напряжения берем падение напряжения на гасящем резисторе, ведь это действительно то самое напряжение, которое действует на этом резисторе ()

Из приведенного примера совершенно очевидно, что . Причем это относится не только к резисторам, но и, например, к динамикам, если мы вычисляем какое напряжение нужно подвести к динамику с заданной мощностью и сопротивлением, чтобы он развил эту мощность.

3.2. Закон Ома для полной цепи

Прежде, чем мы перейдем к нему, нужно четко уяснить физический смысл внутреннего и выходного сопротивлений. Предположим, у нас есть некоторый источник ЭДС. Так вот, внутреннее (выходное) сопротивление это мнимый резистор, включенный последовательно с ним.

Рис.2

Естественно, фактически в источниках тока таких резисторов нет, но у генераторов есть сопротивление обмоток, у розеток – сопротивление проводки, у АКБ – сопротивление электролита и электродов и т.д. Это сопротивление при подключении нагрузки ведет себя именно как последовательно включенный резистор.

где: ε – ЭДС I – сила тока R – сопротивление нагрузки r – внутреннее сопротивление источника

Из формулы видно, что с возрастанием внутреннего сопротивления уменьшается мощность вследствие просадки во внутреннем сопротивлении. Это видно и из закона Ома для участка цепи.

3.3 Правило Кирхгофа нас будет интересовать только одно: сумма токов, входящих в цепь равна току (сумме токов), выходящему из нее. Т.е. какой бы не была нагрузка и из скольки бы ветвей она не состояла, сила тока в одном из питающих проводов будет равна силе тока во втором проводе. Собственно, этот вывод вполне очевиден, если мы говорим о замкнутой цепи.

С законами протекания тока вроде все ясно. Посмотрим как это выглядит в реальном «железе».

4. Начинка

Все БП во многом схожи по схеме и элементной базе. Это вызвано тем, что по большому счету они выполняют одни и те же функции: изменение напряжения (всегда), выпрямление (чаще всего), стабилизация (часто), защита (часто). Теперь рассмотрим способы реализации этих функций.

4.1. Изменение напряжения чаще всего реализуется при помощи различных трансформаторов. Этот вариант наиболее надежен и безопасен. Существуют так же безтрансформаторные БП. В них для понижения напряжения используется емкостное сопротивление конденсатора, включенного последовательно между источником тока и нагрузкой. Выходное напряжение таких БП полностью зависит от тока нагрузки и ее наличия. Даже при кратковременном отключении нагрузки такие БП выходят из строя. Кроме того, они могут только понижать напряжение. Поэтому я не рекомендую такие БП для питания РЭА. Итак, остановимся на трансформаторах. В линейных БП используются трансформаторы на 50Гц (частота промышленной сети). Трансформатор состоит из сердечника, первичной обмотки и нескольких вторичных обмоток. Переменный ток, поступая на первичную обмотку создает в сердечнике магнитный поток. Этот поток, как магнит, наводит ЭДС во вторичных обмотках. Напряжение на вторичных обмотках определяется количеством витков. Отношение количества витков (напряжения) вторичной обмотки к количеству витков (напряжению) первичной обмотки называется коэффициентом трансформации (η). Если η>1 трансформатор называют повышающим, в противном случае – понижающим. Есть трансформаторы у которых η=1. Такие трансформаторы не меняют напряжение и служат только для гальванической развязки цепей (цепи считаются гальванически развязанными, если у них нет непосредственного общего электрического контакта. Хотя токи, протекающие через них, могут действовать друг на друга. Например «Blue Tooth» или лампочка и поднесенная к ней солнечная батарея или ротор и статор электродвигателя или неоновая лампа, поднесенная к антенне передатчика). Поэтому использовать их в БП нет смысла. Импульсные трансформаторы работают по такому же принципу с той лишь разницей, что на них не подается напряжение непосредственно из розетки. Сначала оно преобразуется в импульсы более высокой частоты (обычно 15-20кГц) и уже эти импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Частота следования этих импульсов называется частотой преобразования импульсного БП. С возрастанием частоты увеличивается индуктивное сопротивление катушки, поэтому обмотки импульсных трансформаторов содержат меньшее количество витков по сравнению с линейными. Это делает их более компактными и легкими. Однако импульсные БП характеризуются бОльшим уровнем помех, худшим тепловым режимом и схемотехнически более сложны, следовательно менее надежны.

4.2. Выпрямление подразумевает преобразование переменного (импульсного) тока в постоянный. Этот процесс заключается в разложении положительных и отрицательных полуволн на соответствующие полюса. Есть достаточно много схем, позволяющих это сделать. Рассмотрим те, которые наиболее часто используются.

4.2.1. Четвертьмост

Рис.3

Самая простая схема однополупериодного выпрямителя. Работает следующим образом. Положительная полуволна проходит через диод и заряжает С1. Отрицательная полуволна блокируется диодом и цепь оказывается как бы оборванной. В этом случае нагрузка питается за счет разрядки конденсатора. Очевидно, что для работы на 50Гц емкость С1 должна быть сравнительно велика, чтобы обеспечивать низкий уровень пульсаций. Поэтому схема применяется в основном в импульсных БП ввиду более высокой рабочей частоты.

4.2.2 Полумост (удвоитель Латура-Делона-Гренашера)

Рис.4

Принцип работы похож на четвертьмост, только здесь они соединены как бы последовательно. Положительная полуволна проходит через VD1 и заряжает С1. На отрицательной полуволне VD1 закрывается и С1 начинает разряжаться, а отрицательная полуволна проходит через VD2. Таким образом между катодом VD1 и анодом VD2 появляется напряжение, в 2 раза превосходящее напряжение вторичной обмотки трансформатора (рис.4а). Этот принцип можно использовать для построения расщепленного БП. Так называются БП, выдающие 2 одинаковых по модулю, но противоположных по знаку напряжения (рис.4б). Однако не следует забывать, что это 2 соединенных последовательно четвертьмоста и емкости конденсаторов должны быть достаточно велики (из расчета, как минимум, 1000мкФ на 1А потребляемого тока).

4.2.3. Полный мост

Самая распространенная схема выпрямителя имеет наилучшие нагрузочные характеристики при минимальном уровне пульсаций и может применяться как в однополярных (рис.5а), так и в расщепленных БП (рис.5б).

Рис.5

На рис.5в,г показана работа мостового выпрямителя.

Как уже говорилось, различные схемы выпрямителей характеризуют разные значения коэффициента пульсаций. Точный расчет выпрямителя содержит громоздкие вычисления и на практике редко бывает необходим, поэтому ограничимся ориентировочным расчетом, который можно выполнить по таблице

где: U2 – напряжение вторичной обмотки I2 – предельно допустимый ток вторичной обмотки Uобр – Предельно допустимое обратное напряжение диодов (кенотронов, тиристоров, газотронов, игнитронов) Iпр.макс – Предельно допустимый прямой ток диодов (кенотронов, тиристоров, газотронов, игнитронов) q0 – коэффициент пульсаций на выходе U0 – Выводное напряжение выпрямителя I0 – максимальный ток нагрузки

Емкость сглаживающего конденсатора можно вычислить по формуле

где: q – коэффициент пульсаций m – фазность f – частота пульсаций Rн – сопротивление нагрузки () Rф – сопротивление резистора фильтра (это формула для резистивно-емкостных фильтров, но в качестве резистора можно взять выходное сопротивление выпрямителя [внутреннее сопротивление трансформатора+импеданс вентилей])

4.3. Фильтрация

Пульсации вносят помехи в работу аппарата, который питается от БП. Кроме того, они делают невозможной работу стабилизаторов ввиду того, что в интервалах между полуволнами (абсолютная синусоида) напряжение падает практически до нуля. Рассмотрим некоторые виды сглаживающих фильтров.

4.3.1. Пассивные фильтры могут быть резистивно-емкостными индуктивно-емкостными и комбинированными.

Рис.6

Резистивно-емкостные фильтры (рис.6) характеризуются сравнительно большим падением напряжения. Это связано с применением в них резистора. Поэтому для работы с токами более 500мА такие фильтры не подходят ввиду больших потерь и рассеиваемой мощности. Резистор рассчитывается следующим образом где: Uвып – выходное напряжение выпрямителя Uп – напряжение питания нагрузки Iн – ток нагрузки

Рис.7

Индуктивно-емкостные фильтры характеризуются сравнительно высокой сглаживающей способностью, но уступают другим по массогабаритным параметрам. Основная идея индуктивно – емкостного фильтра в соотношении реактивных сопротивлений его компонентов , т.е. фильтр должен обладать хорошей добротностью. Сам фильтр рассчитывается по следующей формуле

где: q – коэффициент сглаживания m – фазность f – частота — индуктивность дросселя – емкость конденсатора.

В любительских условиях вместо дросселя можно использовать первичную обмотку трансформатора (ни того, от которого все питается), а вторичную замкнуть.

4.3.2. Активные фильтры применяются в тех случаях, когда пассивные фильтры не годятся по массогабаритным или температурным параметрам. Дело в том, что, как уже говорилось, чем больше ток нагрузки, тем больше емкость сглаживающих конденсаторов. На практике это вытекает в необходимость применения громоздких электролитических конденсаторов. В активном фильтре используется транзистор в схеме эмиттерного повторителя (каскад с общим коллектором), поэтому сигнал на эмиттере практически повторяет сигнал на базе (рис.8)

Рис.8

Цепь R1C1 рассчитывается как резистивно – емкостной фильтр, только в качестве потребляемого тока берется ток в цепи базы

Однако, как видно из формулы, режим фильтра (в том числе и коэффициент сглаживания) будет зависеть от потребляемого тока, поэтому его лучше зафиксировать (рис.9)

Рис.9

Схема работает при условии, что , при чем выходное напряжение будет составлять примерно 0,98Uб в следствии просадки напряжения в повторителе. За сопротивление нагрузки принимаем R2.

4.3.3 Помехозащитные фильтры

Надо сказать, что радиопомехи могут проникать не только из сети в прибор, но и из прибора в сеть. Поэтому оба направления следует защищать от помех. Особенно это касается импульсных БП. Как правило, это сводится к подключению конденсаторов небольшой емкости (0,01 – 1,0мкФ) параллельно цепи, как это показано на рис.10.

Рис.10

Как и в случае со сглаживающими фильтрами, помехозащитные фильтры работают при условии, что емкостное сопротивление конденсаторов на частоте возникновения помехи много меньше сопротивления нагрузки.

Возможно, что помеха возникает ни от спонтанного перепада тока в сети или прибора, а от постоянной «вибрации». Это относится, например, к импульсным БП или передатчикам в телеграфном режиме. В этом случае может потребоваться еще и индукционная развязка (рис.11).

Рис.11

Однако конденсаторы должны быть подобраны так, чтобы не возникал резонанс в обмотках дросселей и трансформаторов.

4.4. Стабилизация

Существует целый ряд устройств, блоков и узлов, которые могут работать только от стабилизированных источников тока. Например генераторы, в которых от напряжения зависит скорость зарядки/разрядки конденсаторов в цепях ОС и, следовательно, частота и форма генерируемого сигнала. Поэтому в БП чаще всего стабилизируют именно выходное напряжение, в то время как ток стабилизируют чаще всего в зарядных устройствах и ИБП, да и то не всегда. Существует достаточно много способов стабилизации напряжения, но на практике чаще всего встречаются параметрические стабилизаторы в том или ином виде. Рассмотрим их работу.

4.4.1. Простейший стабилизатор состоит из стабилитрона и ограничительного резистора (рис.12).

Рис.12

Принцип работы такого стабилизатора основан на изменении падения напряжения в ограничительном резисторе в зависимости от тока. При чем вся схема работает при условии, что Действительно, если ток, протекающий через нагрузку будет превосходить ток стабилизации, то стабилитрон не сможет обеспечить должный перепад по правилу параллельного соединения

Как видно из формулы, наибольшее влияние на общее сопротивление цепи оказывает наименьшее сопротивление. Дело в том, что с увеличением обратного напряжения растет его обратный ток, поэтому он и удерживает напряжение в определенных рамках (закон Ома для участка цепи).

4.4.2. Эмиттерный повторитель

Тогда что делать, если потребляемый ток должен превосходить ток стабилизации стабилитрона?

Рис.13

На помощь приходит наш старый добрый эмиттерный повторитель прирожденный усилитель по току. В конце концов что такое падение напряжения на 2% по сравнению с приращением тока на 1000%!? Внедряем (рис.13)! Ток вырос примерно в h21 раз по сравнению со стабилизатором на стабилитроне. На эмиттере буде примерно 0,98UБ

4.4.3. Наращивание напряжения стабилизации

Проблема решена, а как быть если требуется стабилизировать напряжение, скажем, 60В? В этом случае можно соединять стабилитроны последовательно. Таким образом 60В это 6 стабилитронов по 10В или 5 по 12В (рис.14).

Рис.14

Как и для любой последовательной цепи, здесь работает правило

где: — общее напряжение стабилизации цепочки n – количество стабилитронов в цепи — напряжение стабилизации каждого стабилитрона.

При чем напряжение стабилизации у стабилитронов может отличаться, но ток стабилизации должен быть одинаковым.

4.4.4. Наращивание тока нагрузки

Таким образом решается вопрос с высоким напряжением. Если требуется повысить нагрузочную способность (предельно допустимый ток нагрузки) используются каскады эмиттерных повторителей, образующие составной транзистор (рис.15).

Рис.15

Параметрический стабилизатор и эмиттерный повторитель рассчитываются так же, как и в предыдущих схемах. R2 включен в схему для стока потенциалов с базы VT2 когда VT1 закрыт, однако должно выполняться условие , где ZVT1 – импеданс VT1 в открытом состоянии.

4.4.5. Регулировка выходного напряжения

В ряде случаев бывает необходимо подстраивать или регулировать выходное напряжение стабилизатора (рис.16).

Рис.16

В этой схеме нагрузкой считается R2, и ток через стабилитрон должен превосходить ток через R2. Следует помнить, что если напряжение снижено до «0», то на переходе коллектор-база действует полное входное напряжение. Если заявленный режим транзистора не достигает этого напряжения, то транзистор неизбежно выйдет из строя. Так же следует отметить, что на выходе стабилизаторов с эмиттерными повторителями очень опасны конденсаторы большой емкости. Дело в том, что в этом случае транзистор оказывается зажатым между двумя большими емкостями. Если разрядить выходной конденсатор, то сглаживающий конденсатор разрядится через транзистор и транзистор выйдет из строя от перегрузки по току. Если разрядить сглаживающий конденсатор, то на эмиттере напряжение станет выше, чем на коллекторе, что так же неизбежно приведет к пробою транзистора.

4.4.6 Стабилизация тока применяется довольно редко. Например зарядных устройствах для АКБ. Самым простым и надежным способом стабилизировать ток является использование каскада с общей базой и светодиодом в качестве стабилизирующего элемента.

Рис.17

Принцип работы такой схемы весьма прост: при снижении тока через нагрузку уменьшается падение напряжения в каскаде. Таким образом на нагрузке повышается напряжение, а следовательно (по закону Ома) и ток. А вырасти выше нужного предела току не позволяет зафиксированный светодиодом режим базы транзистора, т.е. коэффициент усиления не позволяет выдать такой ток на выходе, ибо транзистор работает в режиме насыщения.

где: R1 – сопротивление резистора R1 Uпр.св – прямое напряжение на светодиоде UБЭ.нас – напряжение между эмиттером и базой в режиме насыщения IH – необходимый ток нагрузки.

где: R2 – сопротивление резистора R2 Е – входное напряжение стабилизатора Uпр.св – максимальное прямое напряжение светодиода Iпр.max – максимальный прямой ток светодиода.

Импульсные БП будут рассмотрены во второй части статьи.

Павел А. Улитин aka Soundoverlord

Теги:

• Блок питания

Расчёт трехфазного трансформатора

Изготовление трехфазного трансформатора и его точный расчёт процесс более сложный, так как здесь первичная и вторичная обмотка состоят уже из трёх катушек. Это разновидность силового трансформатора, магнитопровод которого выполнен чаще всего стержневым способом. Здесь уже появляются такие понятие, как фазные и линейные напряжения. Линейные измеряются между двумя фазами, а фазные между фазой и землёй. Если трансформатор трехфазный рассчитан на 0,4 кВ, то линейное напряжение будет 380В, а фазное 220 В. Обмотки могут быть соединены в звезду или треугольник, что даёт разные величины токов и напряжений.

Обмотки трехфазного трансформатора расположены на стержнях так же, как и в однофазном, т. е. обмотки низшего напряжения НН размещаются ближе к стержню, а обмотки высшего напряжения ВН — на обмотках низшего напряжения.

Высоковольтные трансформаторы трёхфазного тока рассчитываются и изготавливаются исключительно в промышленных условиях. Кстати, любой понижающий трансформатор при обратном включении, выполняет роль повышающего напряжение устройства.

Понятие мощности трансформатора

Трансформатор переменного тока не производит электрическую энергию, а лишь преобразовывает ее по величине. Поэтому его мощность полностью зависит от ее величины нагрузки (тока потребления) вторичной цепи. При наличии нескольких потребителей должна учитываться суммарная нагрузка, которая может быть подключена одновременно. Для цепей переменного тока учитывается активный и реактивный характер потребления.

Советуем к прочтению: Датчик температуры: виды, назначение, устройство, типовые схемы

Активная

Данная составляющая часть характеристики определяется как среднее значение мгновенной за определенный период времени. Для цепей синусоидального переменного тока в качестве отрезка времени используется значение периода колебания:

T=1/f,

где f – частота.

Активная часть зависит от характера нагрузки, то есть от сдвига фаз между током и напряжением и определяется по формуле:

P=i∙U∙cosϕ,

где ϕ – угол сдвига фаз.

Активная составляющая устройств переменного тока выражается в Ваттах, как и для цепей постоянного тока.

Реактивная

Реактивная нагрузка отличается от активной тем, что в течение одного периода колебаний напряжения электрическая энергия реально не потребляется, но возвращается назад. В результате того, что к питающему устройству подключены устройства с большой емкостью или индуктивностью (электродвигатели), между током и напряжением возникает сдвиг фаз.

Реактивная составляющая потребления определяется выражением:

Q= i∙U∙sinϕ

Единица измерения – вар (вольт-ампер реактивный).

Полная

Полная мощность трансформатора учитывает всю потребленную и возвращенную энергию и находится из выражения:

S= i∙U

Все составляющие связаны соотношением:

S2=P2+Q2.

Единица измерения – ВА (вольт-ампер).

Полная мощность равняется активной только в случае полностью активной нагрузки.

Номинальная

Номинальная мощность трансформатора учитывает возможность работы конструкции с учетом подключения потребителей разного характера, то есть аналогична полной. При этом гарантируется исправная работа устройства весь заявленный срок службы при оговоренных условиях эксплуатации.

Номинальная мощность, как и полная, учитывает активный и реактивный характер потребления, которое может изменяться во время эксплуатации.

Выражается в вольт-амперах.