Как рассчитать трансформатор для блока питания?

8. Блок питания. Расчет трансформатора

Расчет трансформатора

Зная необходимое напряжение на вторичной обмотке (U2) и максимальный ток нагрузки (Iн), трансформатор рассчитывают в такой последовательности.

1. Определяют значение тока, текущего через вторичную обмотку трансформатора:

где: I2 — ток через обмотку II трансформатора, А;
Iн — максимальный ток нагрузки, А.

2. Определяют мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

где: P2 — максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки, Вт;
U2 — напряжение на вторичной обмотке, В;
I2 — максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А.

3. Подсчитывают мощность трансформатора:

где: Pтр — мощность трансформатора, Вт;
P2 — максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт.

Если трансформатор должен иметь несколько вторичных обмоток, то сначала подсчитывают их суммарную мощность, а затем мощность самого трансформатора.

4. Определяют значение тока, текущего в первичной обмотке:

где: I1 — ток через обмотку I, А;
Ртр — подсчитанная мощность трансформатора, Вт;
U1 — напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).

5. Рассчитывают необходимую площадь сечения сердечника магнитопровода:

где: S — сечение сердечника магнитопровода, см2;
Ртр — мощность трансформатора, Вт.

6. Определяют число витков первичной (сетевой) обмотки:

где: w1 — число витков обмотки;
U1 — напряжение на первичной обмотке, В;
S — сечение сердечника магнитопровода, см2.

7. Подсчитывают число витков вторичной обмотки:

где: w2 — число витков вторичной обмотки;
U2 — напряжение на вторичной обмотке, В;
S-сечение сердечника магнитопровода, см2.

8. Определяют диаметры проводов обмоток трансформатора:

d = 0,02 I,

где: d-диаметр провода, мм;
I-ток через обмотку, мА.

Диаметр провода обмотки можно также определить по табл. 2.

Iобм, ma £ 25 25

60
60

100
100

160
160

250
250

400
400

700
700

1000
d, мм 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 0,6

После этого можно приступить к подбору подходящего трансформаторного железа и провода, изготовлению каркаса и, наконец, выполнению обмоток. Но Ш-образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверить, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора, т. е. разместится ли провод на каркасе трансформатора. Для этого достаточно подсчитанную ранее мощность трансформатора умножить на 50 — получится необходимая площадь окна, выраженная в мм 2 . Если в подобранных пластинах она больше или равна вычисленной, железо можно использовать для трансформатора.

При выборе сердечника магнитопровода нужно также учитывать и то обстоятельство, что отношение ширины сердечника к толщине набора (отношение сторон сердечника) должно быть в пределах 1. 2.

В качестве трансформаторов питания радиолюбители часто используют унифицированные выходные трансформаторы кадровой развертки телевизоров (трансформаторы ТВК). Промышленность выпускает несколько видов таких трансформаторов, и каждый из них при работе с выпрямителем, выполненным по мостовой схеме, позволяет получить на нагрузке вполне определенные напряжения в зависимости от потребляемого ею тока. Эти параметры сведены в табл. 3, которая поможет в выборе трансформатора ТВК для того или иного блока питания.

Силовые трансформаторы, простой расчет

В статье на конкретном примере приводится простой метод расчета силового трансформатора для блока питания или зарядного устройства.

  1. Перед тем, как использовать силовой трансформатор необходимо определиться с его мощностью.

Например, нужно рассчитать силовой трансформатор для зарядного устройства, которым будем заряжать автомобильные аккумуляторы емкостью до 60 А/час.

Как известно, ток заряда равен 0,1 от емкости аккумулятора, в нашем случае это 6 Ампер.

Напряжение для заряда аккумулятора должно быть не менее 15 В, плюс падение напряжения на диодах и токоограничивающем резисторе, примем его около 5 В.

Итого, напряжение вторичной обмотки должно быть около 20 В, при токе до 6 А. Мощность при этом, будет равна Р = 6 А х 20 В = 120 Вт.

К.п.д. силового трансформатора при мощности до 60 Вт составляет 0,75. При мощности до 150 Вт 0,8 и при больших мощностях 0,85.

В нашем случае принимаем к.п.д. равным 0,8.

При мощности вторичной обмотки 120 Вт, с учетом к.п.д. мощность первичной обмотки равна:

120 Вт : 0,8 = 150 Вт.

  1. По этой мощности определяем площадь поперечного сечения сердечника, на котором будут расположены обмотки.

S (см 2 ) = (1,0 ÷1,2) √Р

Коэффициент перед корнем квадратным из мощности зависит от качества электротехнической стали сердечника.

Принимаем его равным среднему значению 1,1 и получаем площадь сердечника равной 13,5 см 2 .

  1. Теперь нужно определить дополнительную величину – количество витков на вольт. Обозначим ее N.

Коэффициент от 50 до 70 зависит от качества стали. Возьмем среднее значение 60. Получаем количество витков на вольт равным:

Округлим это значение до 4,5 витка на вольт.

Первичная обмотка будет работать от 220 В. Ее количество витков равно 220 х 4,5 = 990 витков.

Вторичная обмотка должна выдавать 20 В. Ее количество витков равно 20 х 4,5 = 90 витков.

  1. Осталось определить диаметр провода обмоток.

Для этого нужно знать ток каждой обмотки. Для вторичной обмотки ток нам известен, его величина 6 А.

Ток первичной обмотки определим, как мощность, деленную на напряжение. (Сдвиг фаз для упрощения расчета учитывать не будем).

I1 = 150 Вт / 220 В = 0,7 А

Диаметр провода определяем по формуле:

Коэффициент перед корнем квадратным влияет на плотность тока в проводе. Чем больше его значение, тем меньше будет греться провод при работе. Примем среднее значение.

Для меди плотность тока до 3,2 А/мм кв, для алюминиевых проводов до 2А/мм кв.

Диаметр провода первичной обмотки:

D1 = 0,75 √0,7 = 0,63 мм

Диаметр провода вторичной обмотки:

D2 = 0,75 √6 = 1,84 мм

Для намотки выбираем ближайший больший диаметр. Если нет толстого провода для вторичной обмотки, можно намотать ее в два провода. При этом суммарная площадь сечения проводов должна быть не меньше площади сечения для рассчитанного диаметра провода. Как известно, площадь сечения равна πr² , где π это 3,14, а r — радиус провода.

Вот и весь расчет.

Если вторичных обмоток несколько, сумма их мощностей не должна превышать величину, равную мощности первичной обмотки, умноженной на к.п.д. Количество витков на вольт одинаково для всех обмоток конкретного трансформатора. Если известно количество витков на вольт, можно намотать обмотку на любое напряжение, главное, чтобы она влезла в окно магнитопровода. Диаметр провода каждой обмотки определяется исходя из величины тока этой обмотки.

Овладев этой простой методикой, вы сможете не только изготовить нужный вам силовой трансформатор, но и подобрать уже готовый.

Материал статьи продублирован на видео:

Методика и формулы для расчета трансформаторного блока питания

Практически любой образец современной техники нуждается в трансформаторе. Этот элемент электрической сети предусматривают в схеме подключения для разделения сетей постоянного и переменного тока, соединений с разными напряжениями и т.д. В домашних условиях сделать простейший трансформатор в состоянии любой радиолюбитель, ничего сложного в состав устройства не входит, однако необходимо рассчитать трансформаторный блок питания.

  1. Методика расчета импульсного трансформатора
  2. Вручную
  3. При помощи специального ПО
  4. Примеры расчета
  5. Мощность вторичного пользователя
  6. Габаритная мощность
  7. Количество витков
  8. Остальные витки
  9. Диаметр провода обмотки
  10. Возможные схематические решения
  11. Как подобрать подходящий трансформатор
  12. Можно ли использовать планарный трансформатор

Методика расчета импульсного трансформатора

Еще со школьной скамьи любой человек помнит, что эффективность преобразования зависит от количества витков на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а сама работа устройства основана на явлении индуктивности. Но не совсем ясно, как учесть количество витков, соотнести первичную и вторичную обмотку с выбранным типом трансформатора, а так же учесть неизбежные потери напряжения.

Отмечу, что импульсный трансформатор можно считать простейшим представителем устройств. При этом в заводском варианте выпускают следующие типы подобных устройств:

  1. Стержневой.
  2. Броневой.
  3. Тороидальный.
  4. Бронестержневой.

Сразу скажу, что в статье речь пойдет именно о расчете тороидального трансформатора, поскольку именно этот вид устройства прост в изготовлении и расчете. Теоретически дома можно изготовить и стержневое устройство, но для него требуется обустройство катушки. К этому процессу предъявляются повышенные требования в плане аккуратности выполнения работ. Поэтому проще не замахиваться на изготовление заводской продукции в кустарных условиях, тем более что и тороидальные модели прекрасно работают.

Читайте также  Лампа дневного света для фотосъемки

Остальные же варианты трансформаторов и вовсе изготовить в условиях домашней мастерской невозможно. Если говорить о расчете, то в качестве исходных данных вам потребуется:

  • Напряжение на входе. Его можно просто замерить в сети, хотя чаще всего этот параметр равен 220В.
  • Параметры тока на выходе. Сюда в обязательном порядке относят напряжение и силу тока в сети после преобразователя.

Все остальное рассчитывается.

Вручную

Конечной целью расчета считается определение параметров на первичной и вторичной обмотке. Проблемой является необходимость определения трех параметров, которые простому человеку найти довольно сложно. В силу этой причины в СССР была разработана табличная методика расчета.

P W1 W2 S η
Меньше 10 Вт 41/S 38/S 0,8
Меньше 30 Вт 36/S 32/S 0,9
Меньше 50 Вт 33/S 29/S 0,92
Меньше 120 Вт 32/S 28/S 0,95

Стоит просто идти по строке, расчет строится на результатах проведенных в лабораториях опытов. То есть все формулы – чистая практика.

При помощи специального ПО

Существуют различные программы для обработки данных и расчета трансформатора. Сюда входит множество онлайн и оффлайн приложений. В отдельности стоит выделить программу ExcellentIT 8.1. Это бесплатное программное обеспечение от одного из постоянных обитателей форумов об электросиловых установка.

После запуска программы перед вами появится несколько окон с пустыми полями вводных данных. После их заполнения нажимается кнопка «Ок» и компьютер делает все за вас. Результаты вычислений ПО и ручного расчета примерно одинаковы, так как именно на основании табличной методики разработаны практически коды компьютерного обеспечения для расчета трансформаторов.

Примеры расчета

Порядок вычислений по таблице выглядит следующим образом:

Мощность вторичного пользователя

  • Определим мощность вторичного пользователя трансформатора. Формулу изучали в 9 классе на уроках физики:

Р = Uн * Iн = 24*1,8 = 43,2 Вт – примем условное напряжение вторичного источника в 24 Вт и силу тока в 1,8 А. В общем и целом это рядовые значения электроники средней сложности

Но вот проблема, в таблице используется габаритная мощность. Для ее нахождения придется использовать КПД, а по таблице КПД определяется в зависимости от используемой габаритной мощности. Поэтому используем предположение, что габаритная мощность находится в том же числовом промежутке, что и вычисленное значение («Меньше 50»).

Габаритная мощность

Тогда мы знаем КПД=0,92 и можем посчитать габаритную мощность трансформатора.

  • Рг= Р/ η= 43,2 / 0,92 = 48Вт – а вот по этому значению уже можно выбирать дальнейшее решение, но это все та же категория «Меньше 50». Если бы габаритная мощность не попала в предполагаемый интервал, пришлось бы провести повторные вычисления для большего интервала. Если и больший интервал не подойдет, значит можно смело использовать меньший. Вычисления несложные, поэтому любое их количество все равно сэкономит время на поиск сложных параметров расчета.
  • Определим площадь поперченного сечения. Согласно таблице формула выглядит так:

Результат получаем в см 2 . Следующим шагом берется любой каталог с выпускаемыми в России сердечниками. В первую очередь нас интересуют сердечники из ферримагнитного железа. Проверяем выбор по соответствию посчитанной площади.

К примеру, нам может подойти модель сердечника – ОЛ50/80 – 40; его площадь поперечного сечения равняется 6, что можно считать практически равной посчитанной.

Количество витков

  • Посчитаем количество витков на первой обмотке.

w1 = 33.3/S = 33.3/6 = 5.55 витков на 1 вольт

Здесь нужно обратить внимание на две вещи. Во-первых, витки посчитаны на 1 вольт, то есть это еще не конечный результат. Во-вторых, для расчета использовалось значение не теоретического сердечника, а реального, подобранного в соответствии с посчитанной величиной поперечной площади.

Остальные витки

  • Теперь в соответствие с формулами можно найти и оставшиеся значения витков:

Импульсные трансформаторы отличаются тем, что потери в них преодолеваются с помощью активного сопротивления, а не плотности потока. Чтобы уменьшить потери мощности на этот процесс и приблизить расчеты к реальности, количество витков увеличивают на 3 процента. Во всем мире это значение признается достаточным для того, чтобы уменьшить потери.

W1-2 = 133 * 1,03 = 137 витков

Диаметр провода обмотки

  • Окончательным вычисление станет после определения требуемого диаметра провода обмотки:

Иначе говоря, сила тока делится на плотность потока, которую ищут по таблице, представленной внизу.

Конструкция трансформатора Габаритная мощность трансформатора
5-10 10-50 50-150 150-300 300-1000
Кольцевая 4,5-5,0 4,0-4,5 3,5-4,5 3,0-3,5 2,5-3,0

Так как мощность приближается к верхней границе интервала 10-50, выберем значение 4,5. Тогда диаметр можно посчитать как:

D=1,13 √(1,8 / 4,5)=0,71 мм – по заводской таблице выбрать подходящий вариант.

Возможные схематические решения

Схем подключения вторичной обмотки трансформаторов, да и вообще всей электроники две:

  • Звезда, которая используется для повышения мощности сети.
  • Треугольник, который поддерживает постоянное напряжение в сети.

Вне зависимости от выбранной схемы, наиболее трудными считается изготовление и подключение небольших трансформаторов. Сюда относится и столь популярный в запросах поисковиков аtx. Это модель, которая устанавливается в системных блоках компьютеров, и изготовить ее самостоятельно крайне трудно.

В число трудностей при изготовлении маленьких трансформаторов стоит отнести сложность обмотки и изоляции, правильного подключения вторичной обмотки вне зависимости от выбранной схемы, а так же сложности с поиском сердечника. Короче говоря, проще и дешевле такой трансформатор купить. А вот как выбрать подходящую модель – это совсем другая история.

Как подобрать подходящий трансформатор

Выбрать подходящий трансформатор можно большим количеством способов, но львиная доля это безысходность или незнание мастера. Выделим три наиболее простых и применимых в практике метода:

  • Первый. Взять старый трансформатор, вышедший из строя. Посмотреть маркировку и найти в Интернете аналог. Если вдруг трансформатор требуется для иных целей, придется повозиться.
  • Второй способ: практический. Для этого следует замерить напряжение и силу тока в сети, а затем посмотреть требуемые параметры устройства, которое планируется подключать через трансформатор. После этого нужно посчитать коэффициент трансформации и, вооружившись этими знаниями, идти выбирать подходящую модель.
  • Третий способ: аналитический. Воспользоваться приведенным в статье расчетом или программным обеспечением, чтобы определить конкретные параметры модели. Если учесть, что в примере используются реальные сердечники и диаметры проводов, то реально найти устройство, которое будет соответствовать заявленным требованиям.

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.

Как рассчитать трансформатор для блока питания?

К вспомогательным, но нужным устройствам относятся выключатель SA1, предохранитель FU1 и индикатор включения — миниатюрная лампа накаливания HL1, с номинальным напряжением, несколько большим напряжения вторичной обмотки трансформатора (лампы, горящие с недокалом, гораздо дольше служат).

Стабилизатор напряжения, если он имеется, включается между выходом выпрямителя и нагрузкой. Напряжение на его выходе, как правило, меньше Uвых, и на стабилизаторе тратится заметная мощность.

Начнем с расчета сетевого трансформатора. Его габариты и масса полностью определяются той мощностью, которую должен отдавать блок питания: Рвых = Uвых • Iвых. Если вторичных обмоток несколько, то надо просуммировать все мощности, потребляемые по каждой из обмоток. К посчитанной мощности следует добавить мощность индикаторной лампочки Ринд и мощность потерь на диодах выпрямителя

Читайте также  Устройство охраны с сигнализацией по телефонной линии

где Unp — прямое падение напряжения на одном диоде, для кремниевых диодов оно составляет 0,6. 1 В, в зависимости от тока. Unp можно определить по характеристикам диодов, приводимых в справочниках.

От сети трансформатор будет потреблять мощность, несколько большую рассчитанной, что связано с потерями в самом трансформаторе. Различают «потери в меди» — на нагрев обмоток при прохождении по ним тока — это обычные потери, вызванные активным сопротивлением обмоток, и «потери в железе», вызванные работой по перемагничиванию сердечника и вихревыми токами в его пластинах Отношение потребляемой из сети к отдаваемой мощности равно КПД трансформатора η. КПД маломощных трансформаторов невелик и составляет 60. 65 %, возрастая до 90 % и более лишь для трансформаторов мощностью несколько сотен ватт. Итак,

Теперь можно определить площадь сечения центрального стержня сердечника (проходящего сквозь катушку), пользуясь эмпирической формулой:

В обозначениях магнитопроводов уже заложены данные для определения сечения. Например, Ш25х40 означает ширину центральной части Ш-образной пластины 25 мм, а толщину набора пластин 40 мм. Учитывая неплотное прилегание пластин друг к другу и слой изоляции на пластинах, сечение такого сердечника можно оценить в 8. 9 см 2 , а мощность намотанного на нем трансформатора — в 65. 80 Вт.

Площадь сечения центрального стержня магнитопровода трансформатора S определяет следующий важный параметр — число витков на вольт. Оно не должно быть слишком малым, иначе возрастает магнитная индукция в магнитопроводе, материал сердечника заходит в насыщение, при этом резко возрастает ток холостого хода первичной обмотки, а форма его становится не синусоидальной — возникают большие пики тока на вершинах положительной и отрицательной полуволн. Резко возрастают поле рассеяния и вибрация пластин. Другая крайность — излишнее число витков на вольт — приводит к перерасходу меди и повышению активного сопротивления обмоток. Приходится также уменьшать диаметр провода, чтобы обмотки уместились в окне магнитопровода. Подробнее эти вопросы рассмотрены в [1].

Число витков на вольт n у фабричных трансформаторов, намотанных на стандартном сердечнике из Ш-образных пластин, обычно рассчитывают , из соотношения n = (45. 50)/S, где S берется в см 2 . Определив n и умножив его на номинальное напряжение обмотки, получают ее число витков. Для вторичных обмоток напряжение следует брать на 10 % больше номинального, чтобы учесть падение напряжения на их активном сопротивлении.

Все напряжения на обмотках трансформатора (UI и UII на рис.) берутся в эффективных значениях. Амплитудное значение напряжений будет в 1,41 раза выше. Если вторичная обмотка нагружена на мостовой выпрямитель, то напряжение на выходе выпрямителя Uвых на холостом ходу получается практически равным амплитудному на вторичной обмотке. Под нагрузкой выпрямленное напряжение уменьшается и становится равным:

Здесь rтр — сопротивление трансформатора со стороны вторичной обмотки. С достаточной для практики точностью можно положить rтp = (0,03. 0,07)Uвых/Iвых, причем меньшие коэффициенты берутся для более мощных трансформаторов.

Определив числа витков, следует найти токи в обмотках. Ток вторичной обмотки III = Iинд + Pвых/UII. Активный ток первичной обмотки (обусловленный током нагрузки) I = Ртр/UI. Кроме того, в первичной обмотке течет еще и реактивный, «намагничивающий» ток, создающий магнитный поток в сердечнике, практически равный току холостого хода трансформатора. Его величина определяется индуктивностью L первичной обмотки: I = UI/2пfL.

На практике ток холостого хода определяют экспериментально — у правильно спроектированного трансформатора средней и большой мощности он составляет (0,1. 0,3)IIA. Реактивный ток зависит от числа витков на вольт, уменьшаясь с увеличением n. Для маломощных трансформаторов допускают llp = (0,5. 0,7)lIA. Активный и реактивный токи первичной обмотки складываются в квадратуре, поэтому полный ток первичной обмотки II 2 = IIA 2 + I 2 .

Определив токи обмоток, следует найти диаметр провода исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2. 3 А/мм 2 . Расчет облегчает график, показанный на рис.[2].

Оценивают возможность размещения обмоток в окне следующим образом: измерив высоту окна (ширину катушки), определяют число витков одного слоя каждой обмотки и затем требуемое число слоев. Умножив число слоев на диаметр провода и прибавив толщину изолирующих прокладок, получают толщину обмотки. Толщина всех обмоток должна быть не более ширины окна. Более того, поскольку плотная намотка вручную невозможна, следует полученную толщину обмоток увеличить в 1,2. 1,4 раза.

В заключение приведем упрощенный расчет выпрямителя (рис.). Допустимый прямой средний ток диодов в мостовой схеме должен быть не менее 0,5Iвых, практически выбирают (для надежности) диоды с большим прямым током. Допустимое обратное напряжение не должно быть меньше 0,71UII + 0,5Uвых, но поскольку на холостом ходу Uвых достигает 1,41UII, обратное напряжение диодов целесообразно выбирать не меньше этой величины, т. е. амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке. Полезно учесть еще и возможные колебания напряжения сети.

Амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения в вольтах можно оценить по упрощенной формуле: Uпульс = 5Iвых/С. Выходной ток подставляется в амперах, емкость конденсатора С1 — в микрофарадах.

При токах нагрузки, составляющих несколько десятков миллиампер и менее, допустимо ограничиться простейшим устройством со стабилитроном (см. раздел 4 «Нелинейные цепи» в «Радио», 2002, № 12, с. 45, рис. 19).

При больших токах нагрузки рекомендуем применить несколько более сложный стабилизатор, схема которого показана на рис..

Как видим, здесь к простейшему стабилизатору на элементах R1, VD1 добавлен эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT1. Если в простейшем стабилизаторе ток нагрузки не может быть больше тока стабилитрона, то здесь он может превосходить ток стабилитрона в h21Э раз, где h21Э — статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером. Для его увеличения часто на месте VT1 используют составной транзистор. Выходное напряжение стабилизатора на 0,6 В меньше напряжения стабилизации VD1 (на 1,2 В для составного транзистора).

Расчет стабилизированного блока питания рекомендуется начинать именно со стабилизатора. Исходя из требуемых напряжения и тока нагрузки, выбирают транзистор VT1 и стабилитрон VD1. Ток базы транзистора составит:

Он и явится выходным током простейшего стабилизатора на элементах R1 и VD1. Затем оцените минимальное напряжение на выходе выпрямителя Uвых-Uпульс — оно должно быть на 2. 3 В больше требуемого напряжения на нагрузке даже при минимально допустимом напряжении сети. Далее расчет ведется описанным способом. Более совершенные схемы и расчет стабилизаторов даны в [3].

ЛИТЕРАТУРА
1. Поляков В. Уменьшение поля рассеяния трансформатора. — Радио, 1983, № 7, с. 28, 29.
2. Малинин Р. М. Питание радиоаппаратуры от электросети. — М.: Энергия, 1970.
3. Москвин А. Транзисторные стабилизаторы напряжения с защитой от перегрузки. — Радио, 2003, № 2, с. 26—28.
В. Поляков, г. Москва.
Радио 05-2003

Расчёт и изготовление трансформатора для импульсного блока питания
на тороидальном (кольцевом) ферритовом сердечнике. Онлайн калькулятор обмоток.

«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.

Читайте также  Светодиоды инфракрасного излучения

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.

Простейший расчет силового трансформатора

Простейший расчет силового трансформатора позволяет найти сечение сердечника, число витков в обмотках и диаметр провода. Переменное напряжение в сети бывает 220 В, реже 127 В и совсем редко 110 В. Для транзисторных схем нужно постоянное напряжение 10 — 15 В, в некоторых случаях, например для мощных выходных каскадов усилителей НЧ — 25÷50 В. Для питания анодных и экранных цепей электронных ламп чаще всего используют постоянное напряжение 150 — 300 В, для питания накальных цепей ламп переменное напряжение 6,3 В. Все напряжения, необходимые для какого-либо устройства, получают от одного трансформатора, который называют силовым.

Силовой трансформатор выполняется на разборном стальном сердечнике из изолированных друг от друга тонких Ш-образных, реже П-образных пластин, а так же вытыми ленточными сердечниками типа ШЛ и ПЛ (Рис. 1).

Его размеры, а точнее, площадь сечения средней части сердечника выбираются с учетом общей мощности, которую трансформатор должен передать из сети всем своим потребителям.

Упрощенный расчет устанавливает такую зависимость: сечение сердечника S в см², возведенное в квадрат, дает общую мощность трансформатора в Вт.

Например, трансформатор с сердечником, имеющим стороны 3 см и 2 см (пластины типа Ш-20, толщина набора 30 мм), то есть с площадью сечения сердечника 6 см², может потреблять от сети и «перерабатывать» мощность 36 Вт. Это упрощенный расчет дает вполне приемлемые результаты. И наоборот, если для питания электрического устройства нужна мощность 36 Вт, то извлекая квадратный корень из 36, узнаем, что сечение сердечника должно быть 6 см².

Например, должен быть собран из пластин Ш-20 при толщине набора 30 мм, или из пластин Ш-30 при толщине набора 20 мм, или из пластин Ш-24 при толщине набора 25 мм и так далее.

Сечение сердечника нужно согласовать с мощностью для того, чтобы сталь сердечника не попадала в область магнитного насыщения. А отсюда вывод: сечение всегда можно брать с избытком, скажем, вместо 6 см² взять сердечник сечением 8 см² или 10 см². Хуже от этого не будет. А вот взять сердечник с сечением меньше расчетного уже нельзя т. к. сердечник попадет в область насыщения, а индуктивность его обмоток уменьшится, упадет их индуктивное сопротивление, увеличатся токи, трансформатор перегреется и выйдет из строя.

В силовом трансформаторе несколько обмоток. Во-первых, сетевая, включаемая в сеть с напряжением 220 В, она же первичная.

Кроме сетевых обмоток, в сетевом трансформаторе может быть несколько вторичных, каждая на свое напряжение. В трансформаторе для питания ламповых схем обычно две обмотки — накальная на 6,3 В и повышающая для анодного выпрямителя. В трансформаторе для питания транзисторных схем чаще всего одна обмотка, которая питает один выпрямитель. Если на какой-либо каскад или узел схемы нужно подать пониженное напряжение, то его получают от того же выпрямителя с помощью гасящего резистора или делителя напряжения.

Число витков в обмотках определяется по важной характеристике трансформатора, которая называется «число витков на вольт», и зависит от сечения сердечника, его материала, от сорта стали. Для распространенных типов стали можно найти «число витков на вольт», разделив 50—70 на сечение сердечника в см:

Так, если взять сердечник с сечением 6 см², то для него получится «число витков на вольт» примерно 10.

Число витков первичной обмотки трансформатора определяется по формуле:

Это значит, что первичная обмотка на напряжение 220 В будет иметь 2200 витков.

Число витков вторичной обмотки определяется формулой:

Если понадобится вторичная обмотка на 20 В, то в ней будет 240 витков.

Теперь выбираем намоточный провод. Для трансформаторов используют медный провод с тонкой эмалевой изоляцией (ПЭЛ или ПЭВ). Диаметр провода рассчитывается из соображений малых потерь энергии в самом трансформаторе и хорошего отвода тепла по формуле:

Если взять слишком тонкий провод, то он, во-первых, будет обладать большим сопротивлением и выделять значительную тепловую мощность.

Так, если принять ток первичной обмотки 0,15 А, то провод нужно взять 0,29 мм.