Про трансформаторі імпульсному замовте слово

Про трансформаторі імпульсному замовте слово +13

  • 22.03.16 3:43 •
  • sanchosd •
  • # 273144 •
  • Гіктаймс •
  • З пісочниці •
  • 21 •
  • 8900

- такий же як Forbes, тільки краще.

Незважаючи не те, що не так давно проскакували досить непогано написані статті про розрахунок трансформатора імпульсного джерела живлення, я запропоную вашій увазі свою методику, і не просто голу методику, а максимально прозоре опис принципів, в ній використовуються.

Картинок не буде, буде близько 18 нескладних формул і багато тексту. Всіх бажаючих долучитися прошу на борт.


Я хочу розповісти вам про те, як розрахувати такого хитрого звіра, як імпульсний трансформатор обратноходового джерела живлення. Обратноходовік, або FlyBack - це, напевно, найпопулярніша топологія імпульсного перетворювача. На мою думку, в ПІП є два дуже важливих і тонких моменту - це трансформатор і петля зворотного зв'язку. У даній статті я хочу показати один з можливих наборів нескладних математичних рівнянь, вирішуючи які ми можемо отримати дані цілком реального трансформатора для флайбека.

Далі постараюся писати коротко і ємко, так, щоб ви змогли сісти і порахувати відразу після прочитання статті. Епюри напруг і струмів в обратноходового джерелі малювати не буду, вважаю, що ви досить підготовлені для того, що б такі терміни, як «індуктивність розсіювання», «відбите напруга», «пікове значення струму через силовий ключ», «розмагнічування муздрамтеатру» вам зрозумілі.

Отже, вважати будемо трансформатор обратноходового джерела живлення, без коректора коефіцієнта потужності, як найбільш поширений, та й «расчётка» моя поки тільки під нього заточена.

Окремо зроблю примітка, що мається на увазі т.зв. квазірезонансний режим роботи перетворювача, коли накачування енергії в трансформатор починається відразу після повного розмагнічування муздрамтеатру. Тобто т.зв. «Коефіцієнт безразривності струму» = 1, тобто як тільки вся енергія витекла через вторинну обмотку (і розсіялася в снабберной ланцюга), відразу включаємо ключ і накачуємо знову. Такий режим останнім часом дуже популярний в обратноходових джерелах живлення, тому що дозволяє трохи підняти ККД.

Заздалегідь обмовлюся - наведена нижче методика досить груба, але вона «залізобетонно» працює, багаторазово перевірена на реальних трансформаторах в реальних джерелах живлення.

Для початку скачайте расчетку, відкрийте, пробіжіться очима. У неї вже «вбиті» значення для розрахунку трансформатора джерела живлення, з вихідною потужністю 100Вт.


Отже, поїхали. Для того, щоб почати розрахунок нам буде потрібно задатися кількома вихідними параметрами (всі вони виділені зеленим кольором в расчетке), а саме:

1. Вихідна потужність джерела живлення для якого робимо трансформатор (POUTmax).
2. Вихідна напруга джерела (Uout) (1).
3. Вихідна напруга службової обмотки (Ubias) (2).
4. Мінімальна напруга мережі живлення (UACmin) (3).
5. Максимальна напруга в мережі (UACmax) (3).
6. Рівень пульсацій на конденсаторі, що фільтрує мережевого випрямляча (Urpl) (4).
7. Очікуваний ККД трансформатора (беріть 0,85 і не прогадаєте) (?).
8. Частота роботи перетворювача (5).
9. Пікове значення струму що протікає через ключ коммутирующий первинну обмотку (ILPRpeak) (6).

(1) Якщо вихідні напруги досить нізкіе- враховуйте пряме падіння напруги на діоді.
(2) У переважній більшості конструкцій джерел живлення, потрібно третя обмотка, від якої буде харчуватися керуюча мікросхема.
(3) Завжди беріть з запасом, тобто якщо зазначений діапазон 180-264, беріть від 160 до 280.
(4) Цей параметр часто можна тільки вгадати, беріть 10% від постійної складової на ньому і не помилитеся, за фактом отриманого робочого прототипу «подріхтуете» розрахунок.
(5) Частота до перетворювачах з очікуванням розмагнічування сердечніка- плаваюча, беремо «зі стелі» таку, яку хочемо отримати при повному навантаженні.
(6) Я сподіваюся ви в курсі, що форма струму трикутна, що комутує ключ, що таке ключ і т.п.

Отже, перша формула:
Почнемо з визначення індуктивності первинної обмотки, Lpr.

Для спрощення я викину ККД, і множник 1000, який потрібен тільки для приведення результату до мікрогенрі від Генрі, вийде наступне рівняння:


На перший погляд зовсім незрозуміло як так виходить. Давайте спробуємо її перетворити. Перенісши множники справа-наліво, отримаємо.


Перетворимо праву частину, отримаємо:


Отже, в лівій частині у нас енергія міститься в індуктивності (підручник фізики, якщо не зрозуміло). У правій частині маємо потужність яка витрачається за період роботи перетворювача. Тобто енергія запасена в індуктивності первинної обмотки (на етапі накачування, від початку періоду до розмикання ключа) дорівнює потужності переданої в навантаження за весь період T (від початку накачування, до повного вичерпання енергії в трансформаторі і початку нового імпульсу).

У сталому режимі то, що закачали в трансформатор з мережі, повинна дорівнювати тому, що злили в навантаження. Тобто всі міркування припускають, що наше джерело вже працює, а не стартує.

Залишимо-же поки цю формулу (1), ми потім скористаємося нею в расчётке, я лише хотів продемонструвати як вона так виходить.
Тепер про параметри. Придивімося до формули. Зафіксувавши (вибравши на свій розсуд) три з чотирьох невідомих, ми можемо отримати значення четвертої.

Потужність (POUTmax), ми вже поставили.

Частота, її можна просто вибрати за своїм бажанням. Не мудруючи лукаво тикнем скажімо 50кГц і не програємо. Лізти за 150кГц не варто, так як втрати на перемикання стануть невиправдано високими, та ще скінеффект, не потрібно це нам під флайбеке.

Пікове значення струму через первинну обмотку, і одночасно ключ-ILPRPeak, це параметр на нервах якого ми будемо грати. Вибираючи його значення ILPRPeak, ми змінюємо Lpr, а разом з нею ще багато чого іншого. У моїй расчетке будемо міняти ILPRpeak і спостерігати за іншими елементами таблиці, в яких будуть знаходиться результати інших формул. Знову-ж, ближче до реальності, для 100Вт джерела можна задатися для початку ILPRpeak = 3 ... 4A.

Просто спробуйте підставити в осередок різні числа, і ви побачите, як зміняться інші похідні параметри. Зокрема, вибираючи піковий струм «первинки», ми дивимося на «відбите» напруга, і виходимо з міркувань наявних у нас ключів. Так само цей параметр впливає на піковий струм «вторинки», що теж важливо, бо у флайбеках струми мають форму прямокутного трикутника, і пікові значення в рази перевищують діючі, тобто якщо струм навантаження 5А, то пікове може бути і 50, орієнтуйтеся на наявні діоди і втрати в міді обмотки.


Тут спрощувати нічого, думаю зрозуміло, що ми отримуємо найгірше значення постійної напруги, з урахуванням осідання на буферному конденсаторі, що стоїть за мережевим випрямлячем, або за ККМ.


У формулі (3) ми обчислюємо, скільки часу повинен бути відкритий ключ, щоб струм в індуктивності, при додатку до неї нашого найгіршого UDCmin виріс від нуля до бажаного ILPRpeak.


Частотою ми задалися раніше, період порахували в (4). На 1000 множимо тому, що бажану частоту ми записали в кГц а не в 1000-х Герц.


Частина, що залишилася періоду, яка буде присвячена передачі енергії в навантаження, обчислюється за формулою (5).


Максимальний коефіцієнт заповнення для гіршого напруги в мережі і максимальної осідання на фільтруючому конденсаторі обчислюємо в (6).


«Відбите» напруга. Наш трансформатор, хоч і обратноходового, але таки трансформатор, а значить коефіцієнт трансформації до нього так-же можна застосувати. Якщо на нашій вторинної обмотці під час протікання струму через випрямний діод, апряженіе (наприклад) 12.7В, то через співвідношення кількості витків це напруга трансформується в первинну обмотку (адже магнітний потік «омиває» одночасно всі обмотки).

Формула (7), трохи хитра, спробуємо її «розкрутити». отримаємо:


(7.1) Демонструє один дуже важливий момент, званий в народі «рівність вольт * секундних інтервалів». Можливо справедливість твердження (7.1) не очевидна, або не відразу зрозуміла, поки використовуємо отримане за допомогою (7) чисельне значення як є, в його правомірності не сумнівайтеся.


Сподіваюся ви добре розумієте, що на зворотному ходу, первинна обмотка, для постійної напруги, що на фільтруючому конденсаторі просто шматок дроту, тобто якщо наш фільтруючий конденсатор все ще заряджений до 310В, то при розімкнутому силовому ключі, протіканні струму через вторинну обмотку, постоянка просто «проходить» через первинку і прикладається до ключу, але разом з нею, до ключа додається ще відбите напруга. І найсумніше, що воно підсумовується з постоянка. І це без урахування викиду від індуктивності розсіювання, майте це на увазі, в расчетке дану обставину спеціально виділено червоним шрифтом.

Тоді (8) показує, яка напруга буде докладено до силового ключа на зворотному ходу. Можна відразу додати до максимального напруження, на яке розрахований ключ, ще зверху вольт так 200 і не помилитеся. Макетування покаже реальну амплітуду викиду напруги породженого індуктивністю розсіювання.

Тепер можемо порахувати коефіцієнт трансформації трансформатора, наприклад таким чином:


Я називаю цей коефіцієнт трансформації «зворотним», тому що вважається він задом наперед. Тепер класичний коефіцієнт трансформації, який можна отримати:


Далі порахуємо максимальна напруга, яке буде докладено до випрямного діода на прямому ходу перетворювача. Думаю ви добре розумієте, що воно буде складатися з напруги на конденсаторі, що фільтрує навантаження, яке в робочому режимі, можна вважати постійним, і трансформованого, через коефіцієнт трансформації, напруги прикладеного до первинної обмотці.


І не забуваємо, що викиди від паразитних індуктивностей обмоток трансформатора, діють і на діод в т.ч. Якщо мова йде про джерелах з високими вихідними напругами, беріть запас по напрузі мінімум 200В. Для низьковольтних, як мінімум 1.5, і уважно дивіться осциллографом на випрямляч.


З (12) отримуємо індуктивність вторинної обмотки трансформатора. Правило яке використовується у формулі говорить, що «індуктивності обмоток трансформатора співвідносяться як квадрати їх витоків», тому що вираз можна представити як:


Далі порахуємо піковий струм вторинної обмотки. Готуйтеся отримати тут досить великі цифри, тому, що це «обратноход», і струм у нього під «вторинці» - трикутний, і пікове значення може бути відчутно більше струму навантаження.


Дана формула перетвориться точно також як і перша формула для ILPRpeak.


В (14) обчислюється діюче значення струму через вторинну обмотку трансформатора. Обясните чому корінь з (1-Q) / 3 я не можу, ймовірно це можна пояснити побудувавши епюри і вдавшись до геометрії. Тут же парканом і діюче значення струму первинної обмотки.


Отже, індуктивності, струми, частоти порахували. А як вибрати муздрамтеатр, запитаєте ви, як розрахувати немагнітний зазор? Для початку ми його «парканом», грунтуючись на своєму життєвому досвіді, а «загнавши» його параметри в расчетку, подивившись порахувати індукцію, можна вибрати інший муздрамтеатр. Ось захотілося мені джерело потужністю 100Вт, з вихідним напругою 12В. Беру я «зі стелі» муздрамтеатр типорозміру PQ2620.

З його Datasheet виписую Ae, передбачуваний зазор, і Коефіцієнт індуктивності для даного зазору (в даташітах Epcos, часто наводиться таблиця зі стандартними зазорами для даного муздрамтеатру, і значеннях Al і еквівалентної проникності). Якщо-ж даних про коефіцієнті Al для бажаного вами зазору, немає, доведеться його (зазор) виготовити, намотати пробні 100 витків, і порахувати за простою формулою Al = v (L / N ^ 2), де L- виміряне значення індуктивності на осерді з пропілену вами зазором, N - кількість витків, що ви накидали (рекомендую мотати пробних 100 витків).

Пояснювати що Таке Ae, G, і Al не буду, припускаючи, що ви й самі знаєте, навіщо потрібен зазор в муздрамтеатрі, і що таке Al. Також в расчетку можна вписати еквівалентну проникність сердечника з зазором, але вона там не використовується, чисто для краси). У формулі (16) вважаємо необхідну кількість витків.


Один з найважливіших параметрів для трансформатора- пікове значення потоку магнітної індукції.

Якщо ж індукція більше 0,3Тл, можемо або вибрати більший муздрамтеатр, або збільшити зазор. Збільшивши зазор ми отримаємо вже інше значення Al і соотв. значення потоку індукції.

Взагалі, життєвий досвід показує, що краще не лізти в зазори більш 1.5мм. бо їм властиві свої паразитні явища, такі як випинання ліній магнітного поля, розігрів витків знаходяться поблизу зазору, до температур, при яких їм може настати «хана», коротше від 0.2мм до 1.5мм. Менше 0.2- температурне розширення матеріалу може суттєво змінити параметри трансформатора. Більше 1.5мм - написав вище.

Вибираючи муздрамтеатр, а саме порівнюючи різні моделі, тільки за поперечним перерізом керна (Ae), можна випустити з уваги те, що довжина магнітної лінії теж впливає на Al при тому-ж перерізі, і зазорі.

Наприклад муздрамтеатр PQ2620 має площу перерізу керна 122мм.кв, а ETD34 тільки 97мм.кв. але довжини магнітних ліній цих магнитопроводов різні, і через ETD34 можна так-же успішно прокачати 100Вт, як і через PQ2620. Я до того, що беріть і підставляйте в расчетку все феррріти, що знаходяться поблизу тих розмірів, що, як вам здається, можуть прокачати бажану потужність.
Після розрахунку магнітної індукції в расчетке йде розрахунок кількості витків вторинної обмотки і допоміжної обмотки, на них спеціально зупинятися не буду, методологія та-ж, що і раніше.

Я сподіваюся написане вище буде вам корисно. Розробка ПІП це величезний пласт прикладної науки, і ця «расчетка» лише маленький листочок одного з талмудів, в якому зібраний весь досвід людства, але вона вкрай корисна в прикладному плані, для розробки простеньких «флайбеков».

Моя «расчетка» (а насправді не моя, а успадкована від ідейного натхненника) досить примітивний інструмент, тому я можу порекомендувати використовувати збірник програм Володимира Денисенка, що легко знаходяться через пошуковик. Тих, хто «рубає» в «силовий» темі, і має що сказати-велкам в коменти. Будь-яка критика вітається!

Що незрозуміло - питайте, я доповню статтю більш детальними поясненнями.

Ви можете допомогти і перевести трохи коштів на розвиток сайту

Схожі статті