Импульсный трансформатор принцип работы - ELSTROIKOMPLEKT.RU

Импульсный трансформатор принцип работы

Импульсный трансформатор — виды, принцип работы, формулы для расчета

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

Различные модели импульсных трансформаторов

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

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

  • стержневом; Конструкция стержневого импульсного трансформатора
  • броневом; Конструкция импульсного трансформатора в броневом исполнении
  • тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник); Конструкция тороидального импульсного трансформатора
  • бронестержневом; Конструктивные особенности бронестержневого импульсного трансформатора

На рисунках обозначены:

  • A — магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
  • В — катушка из изолирующего материала
  • С — провода, создающие индуктивную связь.

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

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

Принцип работы

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

Схема: подключение импульсного трансформатора

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

Временная диаграмма иллюстрирующая работу импульсного трансформатора

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

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τp=L/Rн

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=Вmax — Вr

  • Вmax – уровень максимального значения индукции;
  • Вr –остаточный.

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

График смещения

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

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 tu остается неизменным, его значение еt=Um. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

  • 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 tu , 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 tu. В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

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

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

Здесь:

  • L — перепад индукции;
  • µа — магнитная проницаемость сердечника;
  • W1 — число витков первичной обмотки;
  • S — площадь сечения сердечника;
  • l — длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
  • Вr — величина остаточной индукции;
  • Вmax – уровень максимального значения индукции.
  • Hm — Напряженность магнитного поля (максимальная).

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

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

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

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

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ . Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.

Схема преобразователя

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

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

Необходимые для вычисления параметры:

  • Sc – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
  • S – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);

Основные параметры тороидального сердечника

  • Вмакс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
  • f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.

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

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина UI определяется выражением:

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

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

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

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

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

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

Что такое импульсный трансформатор и как его рассчитать?

Импульсные трансформаторы (ИТ) являются востребованным прибором в хозяйственной деятельности. Часто устанавливают в блоки питания бытовой, компьютерной, специальной техники. Импульсный трансформатор своими руками создают мастера с минимальным опытом работы в области радиотехники. Что это за устройство, а также принцип работы будут рассмотрены далее.

  • 1 Область применения
    • 1.1 Видео: Как работает импульсный трансформатор?
  • 2 Требования к приборам
  • 3 Принцип работы
  • 4 Разновидности
  • 5 Преимущества
  • 6 Разновидности материалов
  • 7 Расчет
    • 7.1 Интересное видео: Импульсный трансформатор своими руками

Область применения

Задача импульсного трансформатора заключается в защите электрического прибора от короткого замыкания, чрезмерного увеличения значения напряжения, нагрева корпуса. Стабильность блоков питания обеспечена импульсными трансформаторами. Подобные схемы применяются в триодных генераторах, магнетронах. Импульсник применяется при работе инвертора, газового лазера. Данные приборы устанавливают в схемах в качестве дифференцирующего трансформатора.

Радиоэлектронная аппаратура основана на трансформаторной способности импульсных преобразователей. При использовании импульсного блока питания организовывается работа цветного телевизора, обычного компьютерного монитора и т. д. Помимо обеспечения потребителя током требуемой мощности и частоты, трансформатором выполняется стабилизация значения напряжения при работе оборудования.

Видео: Как работает импульсный трансформатор?

Требования к приборам

Преобразователи в блоках питания обладают рядом характеристик. Это функциональные устройства, имеющие определенную габаритную мощность. Они обеспечивают правильное функционирование элементов в схеме.

Импульсный бытовой трансформатор обладает надежностью и высоким перегрузочным порогом. Преобразователь отличается стойкостью к механическим, климатическим воздействиям. Поэтому схема импульсного блока питания телевизоров, компьютеров, планшетов. отличается повышенной электрической устойчивостью.

Приборы обладают небольшой габаритной характеристикой. Стоимость представленных агрегатов зависит от области применения, трудозатрат на изготовление. Отличие представленных трансформаторов от иных подобных приборов заключается в их высокой надежности.

Принцип работы

Рассматривая, как работает агрегат представленного типа, нужно понять отличия между обычными силовыми установками и устройствами ИТ. Намотка трансформатора имеет разную конфигурацию. Это две катушки, связанные магнитоприводом. В зависимости от количества витков первичной и вторичной намотки, на выходе создается электричество с заданной мощностью. Например, в трансформаторе преобразовывается напряжение 12 в 220 В.

На первичный контур подаются однополярные импульсы. Сердечник остается в состоянии постоянного намагничивания. На первичной намотке определяются импульсные сигналы прямоугольной формы. Интервал между ними во времени короткий. При этом появляются перепады индуктивности. Они отражаются импульсами на вторичной катушке. Эта особенность является основой принципов функционирования подобного оборудования.

Читайте также  Двухпозиционное реле принцип действия

Разновидности

Выделяют разные типы импульсной схемы силового оборудования. Агрегаты отличаются в первую очередь формой конструкции. От этого зависят эксплуатационные характеристики. По виду обмотки различают агрегаты:

  • Тороидальный.
  • Броневой.
  • Стержневой.
  • Бронестержневой.

Поперечное сечение сердечника бывает прямоугольное, круглое. Маркировка обязательно содержит информацию об этом факте. Также различают тип обмоток. Катушки бывают:

  • Спиральные.
  • Цилиндрические.
  • Конические.

В первом случае индуктивность рассеивания будет минимальной. Представленный тип преобразователя применяется для автотрансформаторов. Намотка при этом выполняется из фольги или тенты из специального материала.

Цилиндрический тип обмотки характеризуется низким показателем рассеивания индуктивности. Это простая , технологичная конструкция.

Конические разновидности значительно уменьшают рассеивание индуктивности. Емкость обмоток при этом мало увеличивается. Изоляция между двумя слоями обмоток пропорциональна напряжению между первичными витками. Толщина контуров увеличивается от начала к концу.

Представленное оборудование отличается различными эксплуатационными характеристиками. В их число входят габаритная мощность, напряжение на первичной, вторичной обмотке, масса и размер. При указании маркировки учитываются перечисленные характеристики.

Преимущества

Блоки питания с импульсным устройством обладают массой достоинств перед аналоговыми приборами. Именно по этой причине их подавляющее большинство изготавливается по представленной схеме.

Трансформаторы импульсного типа отличаются следующими преимуществами:

  1. Малый вес.
  2. Низкая цена.
  3. Повышенный уровень КПД.
  4. Расширенный диапазон напряжения.
  5. Возможность встроить защиту.

Меньшим весом конструкция обладает из-за увеличения частоты сигнала. Конденсаторы уменьшаются в объеме. Схема их выпрямления наиболее простая.

Сравнивая обычные и импульсные блоки питания, видно, что в последних потери энергии сокращаются. Они наблюдаются при переходных процессах. КПД при этом может составлять 90-98%.

Меньшие габариты агрегатов позволяют снизить затраты на производство. Материалоемкость конечного продукта значительно уменьшается. Запитывать представленные аппараты можно от тока с различными характеристиками. Цифровые технологии, которые применяются при создании малогабаритных моделей, позволяют применять в конструкции специальные защитные блоки. Они предотвращают появление короткого замыкания, прочие аварийные ситуации.

Единственным недостатком импульсных разновидностей устройств является появление высокочастотных помех. Их приходится подавлять различными методами. Поэтому в некоторых разновидностях точных цифровых приборов подобные схемы не используются.

Разновидности материалов

Представленное оборудование изготавливается из различных материалов. Создавая блоки питания представленного типа, потребуется рассмотреть все возможные варианты. Применяются следующие материалы:

  1. Электротехническая сталь.
  2. Пермаллой.
  3. Феррит.

Одним из лучших вариантов является альсифер. Однако его практически не найти в свободной продаже. Поэтому, желая создать оборудование самостоятельно, его не рассматривают в качестве возможного варианта.

Чаще всего для создания сердечника применяется электротехническая сталь марок 3421-3425, 3405-3408. Магнитно-мягкими характеристиками известен пермаллой. Это сплав, который состоит из никеля и железа. Его легируют в процессе обработки.

Для импульсов, интервал которых находится в пределах наносекунды, используется феррит. Этот материал имеет высокое удельное сопротивление.

Расчет

Чтобы создать и намотать трансформаторные контуры самостоятельно, потребуется произвести расчет импульсного трансформатора. Применяется специальная методика. Сначала определяют ряд исходных характеристик оборудования.

Например, на первичной обмотке установлено напряжение 300 В. Частота преобразования равняется 25 кГц. Сердечник выполнен из ферритового кольца типоразмером 31 (40х25х11). Сначала потребуется определить площадь сердечника в поперечном сечении:

П = (40-25)/2*11 = 82,5 мм².

Далее можно просчитать минимальное количество витков:

На основе полученных данных можно найти диаметр сечения провода, который потребуется для создания контуров:

Д = 78/181 = 0,43 мм.

Площадь сечения в этом случае равняется 0,12 м². Максимально допустимый ток на первичной катушке при таких параметрах не должен превышать 0,6 А. Габаритную мощность можно определить по следующей формуле:

ГМ = 300 * 0,6 = 180 Вт.

На основе полученных показателей можно самостоятельно рассчитать параметры всех составляющих будущего прибора. Создать трансформатор этого типа станет увлекательным занятием для радиолюбителя.

Подобный аппарат является надежным и качественным при правильной последовательности всех действий. Расчет проводится для каждой схемы индивидуально. При изготовлении подобного оборудования вторичная обмотка должна замыкаться на нагрузку потребителя. В противном случае прибор не будет считаться безопасным.

От типа сборки, материалов и прочих параметров зависит работа трансформатора. Качество схемы напрямую зависит от импульсного блока. Поэтом расчетам, выбору материалов уделяется высокое значение.

Интересное видео: Импульсный трансформатор своими руками

Рассмотрев особенности импульсных трансформаторов, можно понять их важность для многих радиоэлектронных схем. Создать подобное устройство самостоятельно можно только после соответствующего расчета.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор – трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе. Рассмотрим особенности конструктивного устройства этой техники, область применения, выпускаемые разновидности и другие характеристики, связанные с данным оборудованием.

  1. Конструкция и принцип работы
  2. Область применения
  3. Разновидности
  4. Стоимость трансформатора
  5. Преимущества и недостатки
  6. Порядок проверки исправности
  7. Процедура намотки

Конструкция и принцип работы

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

  • первичной и вторичной обмоток;
  • сердечника.

При подаче на входную катушку однополярных импульсов “е(t)” временной интервал между которыми довольно короткий, он вызывает возрастание индуктивности во время интервала t и , после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t и). Благодаря разнице в количестве витков на катушках входа и выхода и импульсному характеру подачи тока, получается добиться высокого коэффициента трансформации с сокращением габаритных размеров устройства.

Одновременно решаются задачи измерения уровня и полярности токового импульса или характеристик по напряжению, согласования значения сопротивления аппарата, создающего сигналы, с потребляющим оборудованием, создание схем обратной связи и пр.,

Подключение импульсного трансформатора

Область применения

По большей части указанные трансформаторы применяются в импульсных устройствах:

  • газовых лазерах;
  • триодных генераторах;
  • дифференцирующих модулях;
  • магнетотронах и др.

Виды трансформаторов

Эти приборы используются в современном радиоэлектронном оборудовании, для источников питания импульсного типа, телевизорах, компьютерах и другой технике.

Ещё одна область использования устройств – в качестве защитных элементов при коротком замыкании в условиях холостого хода, чрезмерной нагрузке или избыточном нагреве.

Разновидности

В зависимости от конструктивных особенностей различают следующие разновидности импульсных трансформаторов:

  • стержневые;
  • броневые;
  • тороидальные, с намоткой провода на изолированный сердечник, не предполагающие применения катушек;
  • бронестержневые.

Виды магнитопроводов

Поперечное сечение сердечника в большинстве устройств выполняется в форме круга или прямоугольника, по аналогии с силовыми аппаратами.

Основные характеристики устройств нанесены на корпус, поэтому из условного обозначения можно почерпнуть информацию об главных параметрах оборудования.

Стоимость трансформатора

Цена на единицу продукции может колебаться от 50 до 700 рублей и выше, в зависимости от характеристик устройства. При покупке учитывается производитель изделия и размер приобретаемой партии. Наиболее дешево обойдётся продукция китайского производства, массово представленная на рынке.

Импульсные трансформаторы – устройства, без которых невозможно представить современную бытовую технику и промышленное производство. Эти аппараты обладают рядом преимуществ, по сравнению с аналогичным оборудованием, но в некоторых случаях сопутствующие недостатки не позволяют их использовать.

Преимущества и недостатки

Использование импульсных трансформаторов объясняется следующими преимуществами:

  • высокими показателями выходной мощности;
  • небольшой массой и габаритными размерами;
  • высокой эффективностью, благодаря снижению энергетических потерь;
  • меньшей ценой при сопоставимых характеристиках;
  • высокой надёжностью по причине наличия схем защиты.

Разобранный импульсный трансформатор

Малая масса достигается посредством возрастания частоты импульса. Это приводит к уменьшению объёма конденсаторов и простоте схемы выпрямления.

Возрастание коэффициента полезного действия обеспечивается, благодаря сокращению энергетических потерь.

Уменьшение габаритов связано со снижением количества использованных материалов. Это основная причина удешевления данной продукции. Ещё одно достоинство малых размеров – возможность применения устройства в малогабаритных электротехнических изделиях.

Недостатки связаны со сложностью в ремонте по причине отсутствия в схеме гальванической развязки наличии помех высокой частоты, в связи с особенностями конструкции и принципа действия устройства.

Чтобы предупредить влияние высокочастотных помех, нередко приходится прибегать к использованию специальных защитных средств, если применяется оборудование, для которого такие факторы нежелательны. В некоторых случаях, в связи с помехами, применение импульсных трансформаторов оказывается невозможным.

Порядок проверки исправности

Для проверки исправности импульсного трансформатора используется аналоговый или цифровой мультиметр. Цифровое устройство обладает преимуществами, благодаря удобству применения. Его не нужно дополнительно подстраивать, достаточно убедиться в наличии питания и целостности проводов подключения.

Аналоговый мультиметр настраивается следующим образом:

  • выбирается режим эксплуатации переключением в область минимальной величины сопротивления при измерении;
  • провода вставляются в контакты прибора и соприкасаются друг с другом;
  • специальной подстройкой стрелка выставляется на ноль;

Если совместить стрелку с нулём не получается, это говорит о проблемах с элементами питания, нуждающимися в замене.

Если трансформатор является составной частью некоторого аппарата, желательно отделить этот элемент от остальной конструкции, чтобы исключить воздействие сопутствующих помех при диагностике.

Проверка с помощью осцилографа:

Неисправность прибора может объясняться следующими проблемами:

  • повреждённым сердечником;
  • подгоревшими соединениями;
  • нарушением изоляции проводов, вызывающим короткое замыкание обмотки;
  • разрывом провода.
Читайте также  Почему микроволновка перестала греть?

Кроме инструментальных измерений, необходимо обращать внимание на внешний вид аппарата. О неисправности может свидетельствовать подгоревшая обмотка, следы гари и соответствующий запах.

Процедура намотки

Если провод входной или выходной катушки не пригоден для дальнейшей эксплуатации, трансформатор можно перемотать. Для этого подбирается провод с двойной или тройной изоляцией, который необходимо намотать на сердечник.

Операция выполняется в следующем порядке:

  • наматывается провод первичной катушки, после предварительного припаивания входного контакта. Витки наматываются равномерно и плотно;
  • выходной конец провода припаивается в положенном месте;
  • наносится изоляция в несколько слоёв;
  • наматывается вторичная обмотка, с припаиванием входного и выходного концов.

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

Импульсные трансформаторы

Особенностью работы импульсных трансформаторов является то, что на их первичную обмотку поступают однополярные импульсы, которые содержат постоянную составляющую тока, поэтому сердечник работает с постоянным подмагничиванием. Рассмотрим работу импульсного трансформатора подробнее. Типовая схема включения импульсного трансформатора не отличается от схем включения трансформаторов переменного тока. Она показана на рисунке 1а. На рисунке 1б приведены временные диаграммы магнитной индукции, напряжения и тока во вторичной обмотке в зависимости от входного напряжения.


Рисунок 1 Схема включения (а) и временные диаграммы (б) импульсного трансформатора

Так как на вход поступает напряжение прямоугольной формы е(t) на достаточно коротком интервале времени, то индукция возрастает на интервале tu и спадает на интервале (T−tu) по линейному закону (начальный участок экспоненты). Скорость нарастания и уменьшения индукции в сердечнике импульсного трансформатора определяемой постоянной времени . Перепад индукции ΔB в нем равен разности между максимальным значением Bm и остаточной индукцией Br. Этот процесс показан на рисунке 2. Рабочая точка на петле гистерезиса перемещается по частному циклу перемагничивания, что приводит к возрастанию минимально необходимых габаритов сердечника.


Рисунок 2 Перемещение рабочей точки в сердечнике импульсного трансформатора

Обратите внимание, что напряжение на вторичной обмотке импульсного трансформатора U2 содержит отрицательный выброс. Это обусловлено энергией, накопленной в сердечнике. Ее обеспечивает ток намагничивания iμ. Ток первичной обмотки обычно имеет трапецеидальную форму, так как к прямоугольному току нагрузки добавляется линейный ток намагничивания сердечника. На интервале 0 . tu напряжение на входе постоянно и равно . Напряжение во вторичной обмотке можно получить из следующего выражения:

(1)

Так как производная от изменения постоянного тока в первичной обмотке при выбранных ограничениях постоянна, то индукция в сердечнике импульсного трансформатора нарастает линейно. Это позволяет заменить производную разностью значений, измеренных на концах временного интервала. Тогда формула (1) примет следующий вид:

(2) — длительность входного импульса напряжения

Подставим вместо разности Δt длительность импульса и умножим обе части формулы (2) на tu. Результат будет выглядеть следующим образом:

(3)

Выражение (3) описывает площадь импульса напряжения, передаваемого во вторичную обмотку. Этот параметр является основной характеристикой импульсного трансформатора. Чем она больше, тем лучше. Чем больше перепад индукции ΔB, тем больше площадь импульса. В основном перепад индукции определяется индуктивностью первичной обмотки. Она зависит от площади сечения сердечника, его магнитной проницаемости и количества витков провода:

(4)

Магнитная проницаемость оказывает наибольшее влияние на индуктивность трансформатора. Поэтому при его проектировании на кривой намагничивания стараются выбирать участок с максимальным значением μа. Магнитный материал должен обладать минимальным значением остаточной индукции Вr. Из магнитных материалов для изготовления импульсных трансформаторов лучше всего подходят тонкие ленты трансформаторных сталей или пермаллой с малым коэффициентом прямоугольности . Для высокочастотных импульсных трансформаторов используются ферриты, так как они обладают малыми динамическими потерями, однако из-за низкой индукции габариты возрастают по сравнению с трансформаторами, предназначенными для работы в цепях синусоидального тока.

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  2. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С.
  3. Режимы работы трансформатора

Вместе со статьей «Импульсные трансформаторы» читают:

Принцип работы импульсного трансформатора

Современные электронные и электрические приборы имеют достаточно сложное устройство. Их эффективную и бесперебойную работу обеспечивает большое количество составляющих. Одной из них является импульсный трансформатор, принцип работы которого основывается на активном преобразовании электрического тока.

  • Основная функция
  • Требования к производству
  • Механизм действия и виды устройств
  • Расчёт показателей

Основная функция

Устройства, работа которых зависит от электрического тока, часто оснащаются импульсными трансформаторами (ИТ). Делается это для того, чтобы обеспечить защиту от короткого замыкания, слишком высокого напряжения, исходящего от сети, и перегревания корпуса электроприборов. Импульсный трансформатор, установленный внутрь блока питания, преобразует напряжение таким образом, что импульс, получаемый на выходе, имеет минимум искажения. Степень преобразования выходного импульса зависит от технических характеристик ИТ.

Использование подобного трансформирующего устройства даёт возможность существенно уменьшить вес, размер и цену приборов, в которых он устанавливается.

Он присутствует как в технике, используемой в быту (цветных телевизорах, компьютерных мониторах), так и в специальном оборудовании, в основе которого заложено действие импульса (газовых лазерах, магнетронах, триодных генераторах, дифференцирующих трансформаторах).

Требования к производству

Процесс создания импульсного трансформатора проходит с чётким соблюдением определённых требований. Требования, которым должен соответствовать ИТ, делятся на:Технико-экономические. К ним относится вес, габариты, стоимость. Также важно, чтобы для изготовления прибора применялись доступные исходные материалы и производственные технологии. Эта категория требований является весьма условной, так как включённые в неё параметры могут легко изменяться в зависимости от разных факторов. К примеру, в качестве исходных материалов могут выступать проводники, диэлектрики разного типа, которые в дальнейшем могут по-разному повлиять на вес, размер или стоимость готового трансформатора.

  • Эксплуатационные. Определяют степень надёжности исходного сырья, его термостойкость, устойчивость к климатическим факторам и механическим повреждениям. Важным эксплуатационным требованием является обязательная проверка трансформатора на возможность работать в аварийном режиме.

Основные показатели работы ИТ, такие как напряжение, мощность и форма импульса, контролируются функциональными требованиями. Именно от того, насколько точно они будут соблюдены, зависит, как долго и с какой эффективностью импульсный трансформатор будет выполнять свою функцию.

В ходе изготовления сердечника может быть использован разный материал. Наиболее часто в качестве исходного сырья выступает:

  • Электротехническая сталь.
  • Феррит.
  • Пермаллой.

Самым лучшим сырьём для производства трансформаторных сердечников считается альсифер. Он является достаточно редким материалом, поэтому альсиферовые сердечники встречаются довольно редко.

Механизм действия и виды устройств

Работа импульсного трансформатора обеспечивается за счёт пары катушек, соединённых магнитоводом и имеющих обмотку различной конфигурации. Количество витков на обмотке определяет мощность электрической энергии, получаемой на выходе.

Первичный контур обмотки принимает на себя однополярные импульсные сигналы. На ней же определяются импульсы с коротким временным интервалом, имеющие прямоугольную форму. Затем эти же импульсы находят отражение на вторичной обмотке. Принцип отражения является основным в работе всех ИТ.

Трансформаторы могут иметь различное устройство. Одна из отличительных особенностей конструкции — типы обмотки. В зависимости от неё выделяют следующие разновидности прибора:

  • тороидальный,
  • стержневой,
  • броневой,
  • бронестержневой.

Внутри этих трансформаторов может быть использована разная обмотка. Катушки могут иметь форму:

  • Спирали. В качестве основного материала используется фольга. Спиральные катушки характеризуются минимальной индуктивностью рассеивания, чаще всего устанавливаются в автотрансформаторы.
  • Цилиндра. Такая катушка отличается простотой формы и низким показателем индуктивности.
  • Конуса. Такая форма получается из-за разной толщины контуров, возрастающей от начала к концу.

Виды и формы обмоток оказывают непосредственное влияние на технические и эксплуатационные параметры ИТ, такие как напряжение, габаритная мощность, размеры и вес.

На каждом трансформаторе присутствует специальная маркировка, содержащая сведения о его разновидности и типе установленной катушки.

Расчёт показателей

Импульсный трансформатор не только выпускается на производстве, но и создаётся самостоятельно. Чтобы изготовленное своими руками устройство выполняло свои функции без ошибок и сбоев, потребуется предварительно рассчитать:

  • площадь сердечника (в его поперечном сечении),
  • минимальное число витков обмотки,
  • диаметр сечения проводов для контуров,

Определив значение основных параметров, не составит труда узнать габаритную мощность ИТ. Верные расчёты помогут создать импульсный трансформатор, который при относительно небольшом весе будет обладать высоким коэффициентом полезного действия, расширенным диапазоном напряжения. При этом затраты на самостоятельное изготовление устройства будут очень небольшими.

Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

Читайте также  Как проложить кабель под землей на даче?

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

со средней точкой.

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: