Oggi parlerò della procedura per il calcolo e l'avvolgimento di un trasformatore di impulsi per un alimentatore su ir2153.

Il mio compito è il seguente, ho bisogno di un trasformatore con due avvolgimenti secondari, ognuno dei quali deve avere un rubinetto dal centro. Il valore della tensione sugli avvolgimenti secondari dovrebbe essere + -50V. La corrente scorrerà 3A, che sarà 300W.

Calcolo di un trasformatore di impulsi.

Per iniziare, scaricare un programma di calcolo del trasformatore di impulsi e avviarlo.

Selezioniamo lo schema di conversione - mezzo ponte. Dipende dal circuito di alimentazione di commutazione. Nell'articolo, lo schema di trasformazione è a mezzo ponte.

La tensione di alimentazione è costante. Minimo \u003d 266 Volt, nominale \u003d 295 Volt, massimo \u003d 325 Volt.

Il tipo di controller è indicato da ir2153, la frequenza di generazione è di 50 kHz.

Stabilizzazione dell'uscita - no; raffreddamento forzato - no.

Il diametro del filo, indica quello disponibile. Ho 0,85 mm. Nota, non indichiamo la sezione trasversale, ma il diametro del filo.

Indichiamo la potenza di ciascuno degli avvolgimenti secondari, nonché la tensione su di essi, ho indicato 50 V e potenza 150 W in due avvolgimenti.

Lo schema di rettifica è bipolare con un punto medio.

Le tensioni indicate da me (50 Volt) indicano che due avvolgimenti secondari, ognuno dei quali ha un tocco dal centro, e dopo la rettifica, avranno + -50 V rispetto al punto medio. Molti avrebbero pensato di indicare 50 V, il che significa che rispetto allo zero ci saranno 25 V in ciascun braccio, no! Otterremo 50 V in ciascun braccio rispetto al filo centrale.

Trasformatore di impulsi di avvolgimento.

Quindi, ecco il mio anello con dimensioni di 40-24-20 mm.

Ora deve essere isolato da alcuni dielettrici. Ognuno sceglie il proprio dielettrico, può essere vernice, nastro isolante per stracci, fibra di vetro e persino nastro adesivo, che è meglio non usare per i trasformatori di avvolgimento. Dicono che il nastro adesivo, corrode lo smalto del filo, non posso confermare questo fatto, ma ho trovato un altro aspetto negativo del nastro adesivo. Nel caso di riavvolgimento, il trasformatore è difficile da smontare e l'intero filo diventa adesivo dal nastro adesivo.

Uso il nastro di mylar, che non si scioglie come il polietilene ad alte temperature. E dove trovare questo nastro Dacron? È semplice, se ci sono tronchi di una coppia intrecciata schermata, quindi smontandola otterrai un film lavsan largo circa 1,5 cm. Questa è l'opzione più ideale, il dielettrico è bello e di alta qualità.

Con nastro adesivo incolliamo la lavsanochka al centro e iniziamo a avvolgere il ricciolo in un paio di strati.

Le conclusioni dell'avvolgimento primario sono attorcigliate e stagnate.

Il prossimo passo è isolare ancora un paio di strati di dielettrico.

Ora iniziano i "malintesi" più numerosi e molte domande. Come avvolgere? Uno o due fili? Mettere l'avvolgimento in uno strato o in due strati?

Nel corso del mio calcolo, ho ricevuto due avvolgimenti secondari con un tocco dal centro. Ogni avvolgimento contiene 13 + 13 turni.

Avvolgiamo con due nuclei, nella stessa direzione dell'avvolgimento primario. Di conseguenza, sono state ottenute 4 conclusioni, due in partenza e due in arrivo.

Ora colleghiamo una delle conclusioni in uscita a una delle conclusioni in arrivo. La cosa principale è non confondersi, altrimenti si scopre che si collega lo stesso filo, cioè si chiude uno degli avvolgimenti. E all'avvio, il tuo alimentatore a commutazione brucerà.

Vengono forniti esempi di schemi di conversione e rettifica. Su alcuni campi di input del programma e su alcuni risultati di calcolo che richiedono commenti, vengono inserite delle descrizioni comandi.

Dettagli del programma

1. Il lavoro principale del programma si svolge nel gruppo "Ottimizzazione".
  Il calcolo automatico viene utilizzato quando si sceglie un nucleo diverso o quando si modificano i dati iniziali (al di fuori del gruppo "Ottimizzazione") per ottenere un punto di partenza per l'ottimizzazione dei dati di avvolgimento del trasformatore.

2. Nel gruppo "Ottimizzazione", quando si modificano i valori utilizzando le frecce, l'inizio dell'ottimizzazione si avvia automaticamente.
  Ma se il nuovo valore viene inserito "manualmente", l'ottimizzazione dovrebbe essere avviata con questo pulsante.

3. Per i controller PWM, viene impostata una frequenza pari alla metà della frequenza dell'oscillatore principale del microcircuito. Gli impulsi dell'oscillatore principale vengono alimentati a turno alle uscite, quindi la frequenza su ciascuna uscita (e sul trasformatore) è 2 volte inferiore alla frequenza dell'oscillatore principale.
  I circuiti integrati IR2153 e simili di questa famiglia di circuiti integrati non sono controller PWM e la frequenza alle loro uscite è uguale alla frequenza dell'oscillatore principale.
Non inseguire un'alta frequenza. Ad alta frequenza, aumentano le perdite di commutazione nei transistor e nei diodi. Inoltre, ad alta frequenza, a causa del numero limitato di spire, la corrente di magnetizzazione è troppo elevata, il che porta a una corrente a vuoto elevata e, di conseguenza, a una bassa efficienza.

4. Il fattore di riempimento della finestra caratterizza la parte della finestra centrale che occuperà il rame di tutti gli avvolgimenti.

5. La densità attuale dipende dalle condizioni di raffreddamento e dalle dimensioni del nucleo.
  Per il free cooling, selezionare 4-6 A / mm2.
  Durante la ventilazione, la densità corrente può essere selezionata di più, fino a 8 - 10 A / mm2.
  Le grandi densità di corrente corrispondono a piccoli nuclei.
  Per il raffreddamento forzato, la densità di corrente consentita dipende dall'intensità del raffreddamento.

6. Se si seleziona la stabilizzazione della tensione di uscita, la prima uscita è quella principale. Ed è necessario assegnare un output con il più alto consumo ad esso.
  Le uscite rimanenti vengono contate per prime.
  Per una reale stabilizzazione di tutte le uscite, è necessario utilizzare un induttore di stabilizzazione di gruppo.

7. In caso di rettifica unipolare, nonostante il maggiore consumo di rame, lo schema di rettifica con un punto medio presenta un vantaggio, poiché le perdite su due diodi saranno 2 volte inferiori rispetto a quattro diodi in un circuito a ponte.

8. Per il corretto funzionamento dell'induttore nel raddrizzatore dopo i diodi, non dovrebbero esserci condensatori davanti all'induttore! Anche una piccola denominazione.

9. Sul numero di giri degli avvolgimenti nei risultati del calcolo, vengono posizionate le descrizioni comandi con il numero di strati occupati dall'avvolgimento.

10. Sul numero di fili negli avvolgimenti nei risultati del calcolo, vengono posizionati i suggerimenti con una densità di corrente nell'avvolgimento.

Software progettato per il calcolo di trasformatori di impulsi push-pull di convertitori di tensione push-pull, bridge e half-bridge di alimentatori.

Tra i principali vantaggi di Lite-CalcIT, vale la pena notare un'interfaccia grafica pratica e intuitiva, il monitoraggio e la contabilizzazione delle varie caratteristiche dei dispositivi elettromagnetici in esame, nonché la formazione di risultati abbastanza affidabili.

Il software considerato consente di calcolare i diametri dei fili degli avvolgimenti (tenendo conto dell'effetto pelle - la profondità della penetrazione della corrente nell'array di conduttori a una certa frequenza), la perdita di potenza nel circuito magnetico, il numero di giri negli avvolgimenti del trasformatore e la sua potenza complessiva, la corrente di magnetizzazione dell'avvolgimento primario e la sua induttanza, surriscaldamento del circuito magnetico e molto altro ancora. Una caratteristica importante di Lite-CalcIT è la possibilità di selezionare uno schema di rettifica e la disponibilità di varie opzioni di controller PWM: TL494, SG3525, IR2153 e simili. Esistono anche due modi per raffreddare il trasformatore: forzato e naturale. La forma del nucleo può essere di tipo E, ER, EI, ETD o R, inoltre, la base dei nuclei magnetici viene riempita. I dati sui prodotti di altri campioni devono essere inseriti in modo indipendente secondo la documentazione del produttore. Quando si aggiunge un nuovo core alla casella combinata, il programma aggiunge automaticamente il prefisso del modulo e il nome del materiale al suo nome. Lite-CalcIT propone di calcolare fino a quattro avvolgimenti secondari di un trasformatore e per ciascun avvolgimento secondario, secondo le figure, è indicato il proprio schema di rettifica. Quando si visualizzano i risultati del lavoro, questo software fornisce non solo i diametri dei fili, ma anche quanti nuclei dovrebbero essere avvolti con questi fili. Se è presente un'alimentazione bipolare con un punto medio, il numero di giri per ciascun braccio sarà indicato attraverso il segno “+”.

Sui singoli risultati di calcolo e campi di input, vengono posizionate le descrizioni comandi. Inoltre, se un numero di parametri supera i limiti ragionevoli (ad esempio il riscaldamento del nucleo), questo software avviserà l'utente di ciò e limiterà in modo indipendente il numero di valori impostati. Tutti i dati del calcolo precedente vengono salvati al riavvio del programma.

Questo software è una versione semplificata di ExcellentIT ed è adatto a coloro che non vogliono fare confusione con un numero enorme di diversi parametri specifici (che sono mediati di default). Tuttavia, la conseguenza di ciò è un errore di calcolo più elevato. Le principali differenze rispetto alla versione completa sono l'incapacità di calcolare l'induttanza dell'induttore di uscita, nonché di salvare, caricare e stampare i risultati del lavoro. Quando si lavora con Lite-CalcIT, non si deve dimenticare che il diametro del filo sulla vernice sarà maggiore del diametro immesso sul rame.

L'autore di questo software è il programmatore domestico Vladimir Denisenko, che vive nella città di Pskov. Oltre a ExcellentIT e Lite-CalcIT, ha scritto diversi altri programmi per determinare i componenti degli avvolgimenti di vari dispositivi: Booster (affilato per il calcolo di stabilizzatori di impulsi step-up e step-up), Forward (trasformatori monofase ad anello in avanti) e Flyback (trasformatori con choke inverso). L'autore segue i desideri degli utenti e modifica costantemente il software di cui sopra. I suoi programmi sono diventati famosi non solo nei paesi dell'ex Unione Sovietica, ma anche all'estero.

Lite-CalcIT è gratuito. L'installazione durante l'installazione non è richiesta.

La lingua dell'interfaccia del calcolatore del trasformatore di impulsi considerato è il russo.

La dimensione del programma è inferiore a 1 MB. Piattaforma per lavoro: sistemi operativi Microsoft Windows XP, Vista e 7 (funzionalità testata nelle versioni a 32 e 64 bit). Lite-CalcIT funziona anche in ambiente Linux quando viene lanciato con Wine.

scaricare:    (download: 953)

Distribuzione del programma:gratis

In un convertitore push-pull progettato correttamente, non vi è corrente continua attraverso l'avvolgimento e la magnetizzazione del nucleo.
  Ciò consente di utilizzare un ciclo di inversione della magnetizzazione completa e ottenere la massima potenza. Poiché il trasformatore ha molti parametri interdipendenti, il calcolo viene eseguito in fasi, specificando, se necessario, i dati di origine.

1. Come determinare il numero di giri e potenza?

La potenza complessiva ottenuta dalla condizione di non surriscaldare l'avvolgimento è:

Pgab \u003d S o S c f B m / 150 (1)

dove: P gab   - potenza, W; S c- l'area della sezione trasversale del circuito magnetico, cm 2; Quindi o   - l'area della finestra del nucleo, cm 2; f   - frequenza delle oscillazioni, Hz; B m \u003d 0,25 T   - valore ammissibile di induzione per ferriti domestiche di nichel-manganese a frequenze fino a 100 kHz.

La potenza massima del trasformatore è selezionata per l'80% del totale:

P max \u003d 0,8 P gab (2)

Il numero minimo di giri dell'avvolgimento primario n 1   determinato dalla massima tensione sull'avvolgimento U m   e induzione del nucleo ammissibile bm:

n \u003d (0,25-10 4 U m) / (f B m S c) (3)

Densità attuale nell'avvolgimento j   per trasformatori con potenza fino a 300 W accettiamo 3..5 A / mm 2 (potenza maggiore corrisponde a meno
valore). Il diametro del filo in mm è calcolato con la formula:

d \u003d 1,13 ⋅ (I / j) 1/2 (4)

dove   io- corrente di avvolgimento effettiva in A.

Esempio 1:

Per un'installazione ad ultrasuoni, è necessario un trasformatore step-up con una potenza di 30..40 watt. La tensione di avvolgimento primaria è sinusoidale, con un valore efficace U eff   \u003d 100 V e una frequenza di 30 kHz.

Scegli un anello di ferrite K28x16x9.
  La sua area trasversale: Sc \u003d (D - d) ⋅ h / 2 \u003d (2.8 - 1.6) ⋅ 0.9 / 2 \u003d 0.54 cm 2
  Area della finestra:   Quindi \u003d (d / 2) 2 π \u003d (1,6 / 2) 2 π \u003d 2 cm 2

Potenza complessiva: Pgab \u003d 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 / 150 \u003d 54 O.
  Potenza massima: Pmax \u003d 0,8 ⋅ 54 \u003d 43,2 W.

La massima tensione sull'avvolgimento: Um \u003d 1,41 ⋅ 100 \u003d 141 V
  Numero di giri:   n 1 \u003d 0,25 ⋅10 4 ⋅ 141 / (30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 ⋅ 0,54) \u003d 87
  Il numero di giri per volt: n 0 \u003d 87/100 \u003d 0.87

Il valore effettivo della corrente primaria: I \u003d P / U \u003d 40/100 \u003d 0,4 A
  La densità corrente è di 5 A / mm 2. Quindi il diametro del filo per il rame: d \u003d 1,13 ⋅ (0,4 / 5) 1/2 \u003d 0,31 mm

2. Come chiarire la densità attuale?

Se realizziamo un trasformatore a bassa potenza, possiamo giocare con la densità corrente e scegliere fili più sottili senza timore di surriscaldamento. Nel libro di Eranosyan, questo tablet è dato:

Perché la densità attuale dipende dalla potenza del trasformatore?
  La quantità di calore rilasciato è uguale al prodotto di perdite specifiche per il volume del filo. La quantità dissipata di calore è proporzionale all'area dell'avvolgimento e alla differenza di temperatura tra esso e il mezzo. Con un aumento delle dimensioni del trasformatore, il volume aumenta più rapidamente dell'area e per lo stesso surriscaldamento, è necessario ridurre le perdite specifiche e la densità di corrente. Per i trasformatori con una potenza di 4..5 kVA, la densità di corrente non supera 1..2 A / mm 2.

3. Come chiarire il numero di giri dell'avvolgimento primario?

Conoscere il numero di giri dell'avvolgimento primario n   calcoliamo la sua induttanza. Per un toroide, è determinato dalla formula:

L \u003d μ 0 μ S con n 2 / l a (5)

Dov'è la piazza   S condata in m 2, la lunghezza media della linea magnetica a   in m, induttanza in GN, μ 0 \u003d 4π ⋅ 10 -7   GN / m è la costante magnetica.

Nella versione di ingegneria, questa formula è simile alla seguente:

L \u003d A L n 2   (5A) n \u003d (L / A L) 1/2   (5B)

fattore A l   e parametro di potenza S o S c   per alcuni tipi di anelli sono mostrati nella Tabella 2:

Affinché il trasformatore funzioni come dispositivo corrispondente, è necessario soddisfare la condizione:

L\u003e (4 .. 10) R / (2 π f min) (6)

dove L   - induttanza in GN, R \u003d U 2 eff / P n   ridotta alla resistenza di carico ohm dell'avvolgimento primario,
f min   - frequenza minima Hz.

Due correnti fluiscono nei convertitori chiave nell'avvolgimento primario, una corrente di carico rettangolare I ol \u003d U m / R   e corrente triangolare
magnetizzazione $$ I_T \u003d (1 \\ over L) \\ int_0 ^ (T / 2) U_1 dt \u003d (T \\ over 2L) U_m $$

Per il normale funzionamento, il valore del componente triangolare non deve superare il 10% del rettangolare, ad es.

L\u003e 5 R / f (7)

Se necessario, aumentare il numero di spire o applicare una ferrite maggiore μ . Non è consigliabile sopravvalutare il numero di giri nell'avvolgimento. A causa dell'aumento della capacità inter-giro, possono verificarsi oscillazioni di risonanza alla frequenza operativa. La ferrite selezionata dovrebbe avere un'induzione massima sufficiente e basse perdite nella banda di frequenza di lavoro. Di norma, a basse frequenze (fino a 1 MHz), ferrite con μ   \u003d 1000 .. 6000 e alle frequenze radio che devi usare μ = 50 .. 400.

Esempio 2:

Il trasformatore dell'esempio 1 è avvolto su un anello K28x16x9 di ferrite di nichel-manganese 2000NM con permeabilità magnetica μ = 2000.
  Potenza di carico P \u003d 40 W, tensione primaria effettiva Ueff \u003d 100 V, frequenza f \u003d 30 kHz.
  Chiarire il numero dei suoi turni.

Resistenza di carico ridotta: R \u003d 100 2/40 \u003d 250 Ohm
  L'area della sezione trasversale del circuito magnetico: Sc \u003d 0,54 cm 2 \u003d 0,54 ⋅ 10 -4 m 2
  La lunghezza media della linea magnetica: la \u003d π (D + d) / 2 \u003d π (2.8 + 1.6) ⋅10 -2 / 2 \u003d 6.9 ⋅ 10 -2 m
  Coefficiente di induttanza: A L \u003d 4 π 10 -7 2000 0,54 10 -4 / 6,9 10 -2 \u003d 1963 nH / vit 2

Induttanza primaria minima: L \u003d 10 ⋅ 250 / (2π ⋅ 3 ⋅ 10 4) \u003d 13,3 mH
  Numero di giri:   n \u003d (13.3 ⋅ 10 -3 / 1.963 ⋅ 10 -6) 1/2 \u003d 82   È persino più piccolo di quanto precedentemente calcolato.   n min \u003d 87.
  Pertanto, la condizione di induttanza sufficiente è soddisfatta e il numero di giri nell'avvolgimento n \u003d 87.

4. Quali ferriti possono essere utilizzati e perché?

Come sapete, il nucleo del trasformatore funge da hub di energia elettromagnetica. Induzione superiore consentita B   e permeabilità magnetica μ, maggiore è la densità dell'energia trasmessa e più compatto è il trasformatore. La cosiddetta permeabilità magnetica è massima. ferromagneti: vari composti di ferro, nichel e altri metalli.

Due quantità descrivono il campo magnetico: l'intensità H (proporzionale alla corrente di avvolgimento) e l'induzione magnetica B (caratterizza l'azione della forza del campo nel materiale). La relazione tra B e H è chiamata curva di magnetizzazione della sostanza. Nei ferromagneti, ha una caratteristica interessante - l'isteresi (in greco: in ritardo) - quando la risposta istantanea a un effetto dipende dal suo sfondo.

Dopo essere usciti dal punto zero (questa sezione è chiamata la curva di magnetizzazione principale), i campi iniziano a correre lungo una certa curva chiusa (chiamata ciclo di isteresi). Sulla curva si notano punti caratteristici: induzione di saturazione B s, induzione residua B r e forza coercitiva H c.

Fig. 1 Proprietà magnetiche delle ferriti. Sulla sinistra è la forma del ciclo di isteresi e i suoi parametri. A destra, la principale curva di magnetizzazione della ferrite 1500НМ3 a varie temperature e frequenze: 1 - 20 kHz, 2 - 50 kHz, 3 - 100 kHz.

Secondo i valori di queste quantità, i ferromagneti sono convenzionalmente divisi in duri e molli. I primi hanno un anello di isteresi ampio, quasi rettangolare e sono buoni per i magneti permanenti. E i materiali con un anello stretto vengono utilizzati nei trasformatori. Il fatto è che nel nucleo del trasformatore ci sono due tipi di perdite: elettrica e magnetica. Elettrici (per eccitare le correnti parassite di Foucault) sono proporzionali alla conducibilità del materiale e alla frequenza, ma quelli magnetici sono più piccoli, più piccola è l'area del circuito di isteresi.

I ferriti sono polveri da stampa di ossidi di ferro o altri ferromagneti sinterizzati con un legante ceramico. Tale miscela combina due proprietà opposte: elevata permeabilità magnetica del ferro e scarsa conducibilità degli ossidi. Ciò riduce al minimo le perdite elettriche e magnetiche e consente di far funzionare i trasformatori ad alte frequenze. Le proprietà di frequenza delle ferriti sono caratterizzate da una frequenza critica f c alla quale la tangente di perdita raggiunge 0,1. Termico - Temperatura di Curie T s, alla quale μ salta fino a 1.

I ferriti domestici sono contrassegnati con numeri che indicano la permeabilità magnetica iniziale e lettere che indicano la gamma di frequenza e il tipo di materiale.
  La ferrite di nichel-zinco a bassa frequenza più comune, indicata dalle lettere HH. Ha una bassa conduttività e una frequenza relativamente alta f c. Ma ha grandi perdite magnetiche e una bassa temperatura di Curie.
  La ferrite di nichel-manganese è designata come NM. La sua conduttività è maggiore, quindi f c è bassa. Ma le perdite magnetiche sono piccole, la temperatura di Curie è più alta, ha meno paura degli shock meccanici.
  A volte nella marcatura delle ferriti inseriscono un numero aggiuntivo 1, 2 o 3. Di solito, più è alta, più la ferrite è stabile alla temperatura.

Quali marchi di ferrite sono più interessanti per noi?

Per la tecnologia di conversione, la ferrite termostabile 1500NM3 con fc \u003d 1,5 MHz, Bs \u003d 0,35..0,4 T e Tc \u003d 200 хорош è buona.

Per applicazioni speciali, producono ferrite 2000NM3 con deacammodazione normalizzata (stabilità temporanea della permeabilità magnetica). Ha fc \u003d 0,5 MHz, Bs \u003d 0,35..0,4 T e Tc \u003d 200 ℃.

I ferriti della serie NMS sono stati sviluppati per trasformatori potenti e compatti. Ad esempio 2500NMS1 con Bs \u003d 0,45 T e 2500NMS2 con Bs \u003d 0,47 T. La loro frequenza critica è fc \u003d 0.4 MHz e la temperatura di Curie è Tc\u003e 200 ℃.

Per quanto riguarda l'induzione consentita B m, questo parametro è regolabile e non standardizzato in letteratura. Considerato in modo provvisorio B m \u003d 0,75 V s min. Per le ferriti di nichel-manganese, questo dà circa 0,25 T. Data la caduta di B s a temperature elevate e a causa dell'invecchiamento, in casi critici è meglio giocare in sicurezza e ridurre B m a 0,2 T.

I parametri principali delle ferriti comuni sono riassunti nella Tabella 3.

5. Quanto è caldo il core?

Perdite nella magnetica.

A una frequenza inferiore a fc critica, la perdita di energia nel magnete è composta principalmente dalle perdite di inversione della magnetizzazione e la corrente parassita può essere trascurata.
  L'esperienza e la teoria mostrano che le perdite di energia per unità di volume (o massa) in un ciclo di inversione della magnetizzazione sono direttamente proporzionali
  area del circuito di isteresi. Pertanto, il potere della perdita magnetica:

P H \u003d P 0 ⋅ V ⋅ f (8)

dove P 0   - perdite specifiche per volume unitario (misurato a una frequenza f 0   per induzione B 0) ,   V- volume del campione.

Tuttavia, con l'aumentare della frequenza, l'induzione della saturazione diminuisce, il circuito di isteresi si deforma e le perdite aumentano. Per tenere conto di questi fattori, Steinmetz (C. P. Steinmetz, 1890-1892) propose una formula empirica:

P H \u003d P 1 ⋅ m ⋅ (f / f 1) α (B / B 1) β (9)

Accetto questo f 1 \u003d 1 kHz, B 1 \u003d 1 T; valore P 1, α, β   indicare nella directory.

Perdite in rame.

P M1 \u003d I 2 eff (ρ / Sm) ((D - d) + 2h) ⋅ n 1 (10)

dove I eff   - corrente effettiva, D - esterno, d - diametro interno dell'anello, h - la sua altezza in metri; n 1 è il numero di giri; Sm   - sezione del filo, in mm 2; ρ \u003d 0,018 Ohm ⋅ mm 2 / m resistività del rame.

Perdite totali in tutti gli avvolgimenti a temperatura ambiente elevata:

P M \u003d (P M1 + P M2 + ..) (1 + 0,004 (T-25 o C)) (11)

Perdite totali nel trasformatore.

Temperatura di surriscaldamento stimata con convezione naturale:

ΔT \u003d P Σ / (α m Scohl) (13)

Dove α m \u003d (10..15) -4 W / cm 2 o C, Scohl \u003d π / 2 (D 2 - d 2) + π h (D + d)

Esempio 3:

Troviamo le perdite nel trasformatore dagli esempi 1 e 2. Per semplicità, supponiamo che gli avvolgimenti secondario e primario siano gli stessi. Corrente effettiva
  avvolgimento primario Ieff \u003d 0,4 A. Perdite in rame dell'avvolgimento primario P M1 \u003d 0,4 2 ⋅ (0,018 / 0,08) (28-16 + 18) ⋅ 10 -3 ⋅ 87 0,1 W.
  Perdite in rame di entrambi gli avvolgimenti: P M \u003d 0,2 W.

Secondo i dati di riferimento per la ferrite 2000NM P 1 \u003d 32 W / kg, α \u003d 1,2, β \u003d 2,4,   Il peso del nucleo K28x16x9 è di 20 grammi.
  Perdite nella ferrite: P H \u003d 32 (30/1) 1,2 (0,25 / 1) 2,4 ⋅ 20 ⋅ 10 -3 \u003d 1,36 O

Perdite totali nel trasformatore:   P Σ \u003d 1,56 O.. Rendimento stimato \u003d (40 - 1,56) / 40 ⋅ 100% 96%

6. Come tenere conto delle proprietà inerziali del trasformatore?

In Fig.2. è mostrato. Include l'impedenza della sorgente io   ridotta resistenza di carico R \u003d n 2 R n   o R \u003d P n / U 2 eff   dove   n \u003d U 1 / U 2   - rapporto di trasformazione, U eff   - tensione effettiva dell'avvolgimento primario.

Le proprietà inerziali del trasformatore determinano l'induttanza di dispersione ridotta L sinduttanza di magnetizzazione L μ   (quasi uguale all'induttanza primaria L 1), capacità di avvolgimento parallelo Con p   (cosiddetta capacità dinamica) e capacità in serie tra gli avvolgimenti C p.

Come valutarli?

L 1   calcolato con la formula (5) o misurato sperimentalmente.
  Secondo l'induttanza di scattering in ordine di grandezza è uguale a L s ~ \u200b\u200bL 1 / μ. capacità Con p   è di circa 1 pF per turno.

Il trasformatore funziona come un filtro passa-banda. Alle basse frequenze, è un HPF con una frequenza di taglio ω n \u003d R / L μ.
  Alle alte frequenze, gli elementi L s   e C p   formare un filtro passa-basso con una frequenza di taglio ω in ≈ (L s C p) -1/2.
  Capacità della serie C p   non eccezionale e praticamente non influisce sul lavoro.

Il modello ha due risonanze caratteristiche.

Bassa frequenza (risonanza di magnetizzazione) in un circuito parallelo L μ C p
  La sua frequenza f μ (1/2 π) ⋅ (L μ C p) -1/2   e il fattore qualità Q μ (r i || R) ⋅ (L μ / C p) -1/2 (14)

Alta frequenza (risonanza di scattering) nel circuito formato da L s   e C p.
  La sua frequenza fs (1/2 π) ⋅ (L s C p) -1/2   e il fattore qualità Q s (L s / C p) 1/2 / r i. (15)

In che modo influiscono queste risonanze?

La risposta in frequenza di un trasformatore è simile alla risposta in frequenza di un filtro passa-banda, ma c'è risonanza sul suo bordo superiore f s   dà un picco caratteristico.
La risposta agli impulsi dipende dall'inclusione della sorgente e dai valori delle resistenze.
  Con una piccola resistenza interna della sorgente io   appare solo la risonanza f s   sotto forma di un caratteristico "ronzio" sui fronti degli impulsi.
  Se la sorgente è collegata tramite un tasto, quando si apre, intense oscillazioni con una frequenza di f μ

Fig. 3 Esempio di risposta in frequenza e transitorio in un trasformatore. Il suo circuito equivalente è riportato di seguito nella figura 4.

7. Misura sperimentale dei parametri del trasformatore di impulsi.

Per il campione, è stato preso un anello di ferrite 3000NM nella dimensione K10x6x2. L'avvolgimento primario era di 21 giri, il secondario 14, il coefficiente di trasformazione n \u003d 1,5, la resistenza di carico era 4,7 kOhm, la sorgente era un generatore di impulsi rettangolare su circuiti TTL con un livello di 6 V, una frequenza di 1 MHz e resistenza interna r 200 ohm.

Calcoliamo i parametri teorici:
S c \u003d 4 ⋅ 10 -6 m 2   , la \u003d 25,13 ⋅ 10 -3 m, A L Theor \u003d 600 nH / Vit 2 , L 1 theor \u003d 0.6 ⋅ 21 2 \u003d 265 μH , Ls teorico 265/3000 \u003d 0,09 μH , Con p, Teorema 21 + 14 \u003d 35 pF.
  Resistenza di carico ridotta R \u003d n 2 Rn \u003d 2,25 ⋅ 4,7 ~ 10 kOhm.

I risultati delle misure di induttanza con il dispositivo AKIP-6107:
L 1 \u003d 269 μH , L 2 \u003d 118 μH   cortocircuitando l'avvolgimento secondario che otteniamo 2Ls \u003d 6,8 μH, che è di due ordini di grandezza superiore alla sua teoria della stima.

La capacità dinamica Cp può essere stimata con la formula (15) applicando impulsi rettangolari al trasformatore e misurando con l'aiuto di un oscilloscopio il periodo di oscillazione del "ringing" sui fronti degli impulsi all'uscita dell'avvolgimento secondario. La frequenza di squillo fs è risultata essere 18,5 MHz, che fornisce un CP di 21 pF ed è in buon accordo con la stima teorica.
  Per il confronto con l'esperimento, il circuito equivalente con i parametri misurati è stato simulato nel programma LT Spice.

Fig. 4 Modello di trasformatore. Vout: tensione ridotta, effettiva sarà n volte inferiore.

Fig. 5 I risultati dell'esperimento. La scala della scala verticale è di 1 volt per divisione.

Quindi, un modello basato su misurato L μ, L se C p   abbastanza coerente con l'esperimento.
  Una stima teorica di una capacità di 1 pF per giro per piccoli anelli è accettabile, ma una stima dell'induttanza di dispersione di due ordini di grandezza differisce da quella effettiva. È più facile determinare dall'esperienza.

Appendice 1. Derivazione della formula per il numero di giri.

Quando si applica la tensione U   L'induzione EMF apparirà sull'avvolgimento E:   U \u003d -E \u003d n Sc dB / dt

Per tensione sinusoidale con ampiezza   um: Um \u003d n Sc ω Bm

Dove il numero di giri n \u003d Um / (Sc ω Bm)

Esprimendo la frequenza circolare attraverso il solito e l'area in cm 2 otteniamo la formula ingegneristica: n \u003d 0,16 ⋅10 4 / (f Bm Sc)

Per una tensione rettangolare di um: dB \u003d dt Um / (n Sc)

Integrando nel tempo da 0 a T / 2 e tenendo conto che per metà del periodo il campo cambierà da -Bm a + Bm otteniamo: 2Bm \u003d (T / 2) Um / (n Sc)

Avendo espresso il periodo in termini di frequenza e l'area in cm 2, otteniamo la formula ingegneristica: n \u003d 0,25 ⋅10 4 / (f Bm Sc)

È adatto per entrambi i casi.

Appendice 2. Derivazione della formula per la potenza complessiva del trasformatore.

Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica di Faraday, la relazione tra la tensione sulla bobina e la variazione dell'induzione magnetica in essa:

  U dt \u003d n Sc dB

Nel tempo da 0 a T / 2, l'induzione cambierà da -Bm a + Bm, integrando entro questi limiti otteniamo:

U cf \u003d 4 n Sc Bm f

Dove: $$ U_ (cp) \u003d (2 \\ over T) \\ int_0 ^ (T / 2) U dt $$

Ma gli strumenti non misurano la media, ma la tensione effettiva, che equivale a un'energia costante. La relazione tra medio e attuale
  la tensione fornisce il fattore di forma a f \u003d U eff / U cfr. Per il meandro, è 1, per il seno di 1.11.
  Da qui la tensione effettiva sulla bobina:

U eff \u003d 4 k f n Sc Bm f

La potenza complessiva è stimata dalle seguenti considerazioni. La frequenza f non è grande, la corrente parassita e le perdite di inversione della magnetizzazione sono piccole e la potenza
  limitato dal surriscaldamento dell'avvolgimento. È determinato dalla massima densità di corrente j, che è la stessa per entrambi gli avvolgimenti.
  Definiamo la potenza complessiva come metà della potenza degli avvolgimenti primario e secondario.

Phab \u003d (P 1 + P 2) / 2 \u003d (U eff1 I 1 + U eff2 I 2) / 2 \u003d j (S 1 n 1 + S 2 n 2) 4 k f Sc Bm / 2   dove S 1 e S 2 l'area della bobina degli avvolgimenti primario e secondario.

Questo può essere scritto nell'area di rame Sm:

Phab \u003d 2 k f f Sc Sm Bm j

L'area di rame è associata al fattore di riempimento della finestra σ \u003d Sm / S 0.
  Sigma è un certo coefficiente empirico, pari a un minimo di 0,15 per un avvolgimento a strato singolo e un massimo di 0,4 per un avvolgimento a più strati (non si adatta più).
  Di conseguenza, la nostra formula assume la forma:

Phab \u003d 2 k f σ f Sc S 0 Bm j

Tutti i valori sono qui in SI.

Supponiamo che la tensione abbia la forma di un meandro, k f \u003d 1. Scelta di una densità di corrente j \u003d 2,2 A / mm 2,
  fattore di riempimento σ \u003d 0,15, esprimendo l'area in cm 2, Bm in T, frequenza in Hz, otteniamo la formula di calcolo:

Pgab \u003d Sc S 0 f Bm / 150

Come puoi vedere, questa formula è derivata da un ampio margine, è davvero possibile ottenere una grande potenza dal trasformatore.

Letteratura.

1. Kosenko S. "Calcolo di un convertitore push-pull con trasformatore di impulsi" // Radio, n. 4, 2005, pag. 35 - 37, 44.
2. Eranosyan S. A. Alimentatori di rete con convertitori ad alta frequenza. - L.: Energoatomizdat. Leningrado. Dipartimento, 1991, - 176 s: ill.
3. S.V. Kotenev, A.N. Evseev. Calcolo e ottimizzazione di trasformatori toroidali e strozzatori. - M.: Hotline-Telecom, 2013 .-- 359 p .: Ill.
4. A. Petrov "Induttanze, induttori, trasformatori" // Radioamatore, n. 12, 1995, p. 10-11.
5. Mikhailova M.M., Filippov V.V., Muslakov V.P. Ferriti magnetici morbidi per apparecchiature elettroniche. Libro di consultazione. - M.: Radio e comunicazioni, 1983. - 200 p., Ill.
6.   I parametri geometrici calcolati dei nuclei dell'anello.
7. B.Yu.Semenov. Elettronica di potenza per amatori e professionisti. M .: Solon-R, 2001 .-- 327 p. : limo

C'era la necessità di un potente alimentatore. Nel mio caso, ci sono due nuclei di armatura magnetici e toroidali. Tipo di armatura: ShL32h50 (72h18). Tipo toroidale: OL70 / 110-60.

DATI INIZIALI per il calcolo di un trasformatore con un circuito magnetico toroidale:

• tensione di avvolgimento primaria, U1 \u003d 220 V;
• tensione secondaria, U2 \u003d 36 V;
• corrente secondaria, l2 \u003d 4 A;
• il diametro esterno del nucleo, D \u003d 110 mm;
• diametro interno del nucleo, d \u003d 68 mm;
• altezza del nucleo, h \u003d 60 mm.

Il calcolo di un trasformatore con un circuito magnetico del tipo ШЛ32х50 (72х18) ha mostrato che il nucleo è in grado di fornire una tensione di 36 volt con una forza di corrente di 4 ampere, ma potrebbe non essere possibile avvolgere l'avvolgimento secondario, a causa di un'area della finestra insufficiente. Procediamo al calcolo di un trasformatore con un circuito magnetico di tipo OL70 / 110-60.

Il calcolo del software (online) consentirà all'esperimento di sperimentare parametri e ridurre i tempi di sviluppo. Puoi anche calcolare con le formule, che sono elencate di seguito. Descrizione dell'input e campi calcolati del programma: campo azzurro - dati iniziali per il calcolo, campo giallo - dati selezionati automaticamente dalle tabelle, se la casella di controllo è selezionata per regolare questi valori, il campo cambia colore in azzurro e ti permette di inserire i tuoi valori, campo verde - valore calcolato.

Formule e tabelle per il calcolo manuale di un trasformatore:

1. La potenza dell'avvolgimento secondario;

2. Potenza complessiva del trasformatore;

3. La sezione effettiva dell'acciaio del circuito magnetico nella posizione della bobina del trasformatore;

4. La sezione di progettazione dell'acciaio del circuito magnetico nella posizione della bobina del trasformatore;

5. L'area della sezione trasversale effettiva della finestra principale;

6. Il valore della corrente nominale dell'avvolgimento primario;

7. Calcolo della sezione del filo per ciascuno degli avvolgimenti (per I1 e I2);

8. Calcolo del diametro dei fili in ciascun avvolgimento senza tener conto dello spessore dell'isolamento;

9. Il calcolo del numero di giri negli avvolgimenti del trasformatore;

n è il numero dell'avvolgimento,
U '- caduta di tensione negli avvolgimenti, espressa in percentuale del valore nominale, vedere la tabella.

Nei trasformatori toroidali, il valore relativo della caduta di tensione totale negli avvolgimenti è molto più piccolo rispetto ai trasformatori corazzati.

10. Il calcolo del numero di giri per un volt;

11. La formula per calcolare la massima potenza che un circuito magnetico può dare;

Sst f - la sezione in acciaio effettiva del circuito magnetico esistente nella posizione della bobina;

Sok f - l'area effettiva della finestra nel circuito magnetico esistente;

Vmakh - induzione magnetica, vedi tabella.№5;

J è la densità corrente, vedere la tabella n. 3;

Kok - fattore di riempimento della finestra, vedere la tabella n. 6;

Kst è il fattore di riempimento del circuito magnetico con acciaio, vedi tabella n. 7;

L'entità dei carichi elettromagnetici Vmah e J dipende dalla potenza prelevata dall'avvolgimento secondario del circuito del trasformatore e viene presa per i calcoli dalle tabelle.

Dopo aver determinato il valore di Sst * Sok, è possibile scegliere la dimensione lineare necessaria del circuito magnetico, che ha un rapporto di area non inferiore a quello ottenuto dal calcolo.