Расчет импульсного трансформатора программа для ir2153

Перенесу-ка я сюда схему устройства мягкого пуска и защиты импульсника с предыдущей страницы.

Рис.1

Фактически, основной фрагмент импульсного блока питания (Рис.2), состоящий из самотактируемого полумостового драйвера, управляющего мощными полевыми транзисторами, самих транзисторов и импульсного трансформатора — издавна уже обрёл привычные очертания, отработан до мелочей и радует счастливые взоры радиолюбителей предсказуемым поведением и весьма приличными характеристиками.

Рис.2

Приведённая схема импульсного источника питания позволяет снимать с блока максимальную мощность до 300Вт.
Частота преобразования драйвера IR2153 — 50кГц. При желании изменить тактовую частоту следует изменить значения номиналов элементов R1 и С1 в соответствии с формулой F = 1 / [1,4×C×(R+75)].

Большинство схемотехнических решений ИПБ на IR2153, представленных в сети, не учитывают простой рекомендации производителя микросхемы по выбору номиналов данных элементов, а именно:
Timing resistor value (Min) — 10 kΩ, C_T pin capacitor value (Min) — 330 pF.

Для удобства приведу простой калькулятор по расчёту частотозадающих элементов IR2153.

И с другими вводными — частота IR2153 с учётом имеющихся у Вас деталей.

На страшилки по поводу опасности несущественного отклонения рабочей частоты от расчётной, как то: насыщение феррита, снижение КПД и т.д. и т.п. — не следует обращать никакого внимания. Прекрасно Ваш феррит переживёт подобные отклонения, вплоть до 10-15% изменения частоты преобразователя, без всяких последствий для собственного здоровья.

Теперь о намотке трансформатора Tr1.
Парой слов здесь ограничиться не удастся, потому как именно импульсный трансформатор назначен главным ответственным за показатели ИБП.
Собственно, исходя из этих соображений, мы и посвятили целую статью расчётам и намотке трансформатора на тороидальном ферритовом сердечнике для данного блока с возможностью выбора желаемого диапазона мощностей — Ссылка на страницу.

Плавно переходим к снабберной цепочке R8, С9. Снаббер – это демпфирующее устройство, которое выполняет действие по замыканию на себе токов переходных процессов. Устройство предназначено для подавления индуктивных выбросов, которые появляются при переключении коммутационных полупроводников и способствует снижению величины нагрева обмоток трансформатора и силовых транзисторов.
В теории, существуют методики расчёта снабберных цепей. На практике — а не пошли бы они лесом, уж очень много различных параметров необходимо учитывать для получения корректного результата. К тому же достаточно велика вероятность того, что данная цепочка вообще не понадобится в транзисторно-трансформаторном хозяйстве.
Для проверки этого предчувствия следует к выходу ИПБ подключить нагрузку, обеспечивающую его работу при 10% мощности от максимальной, и поочерёдно ткнувшись пальцем в импульсный трансформатор и радиатор выходных транзисторов, убедиться, что температура данных элементов не превышает 30-40 градусов.
Если это так, то про снабберную цепочку забываем, если не повезло — начинаем юзать снаббер, начиная со значения ёмкости конденсатора С9 200пФ и постепенно повышая её до тех пор, пока не будет получен устойчивый положительный результат. Естественным делом данный конденсатор обязан быть высоковольтным.

Выходной выпрямитель особенностей не имеет, П-образные фильтры C5,L1,C9 и C6,L2,C11 необходимы для предотвращения попадания высокочастотных помех в нагрузку, электролиты С10 и С12 борются с сетевыми 50-ти герцовыми пульсациями. Дроссели L1 и L2 номиналом 10-20 мкГн, должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки, и могут быть как покупными, так и самостоятельно намотанными на силовых ферритах.

Радиатор для ключевых транзисторов Т1, Т2 для схемы, приведённой на Рис.2, должен рассчитываться исходя мощности рассеивания 3-5Вт и в простейшем случае может представлять из себя алюминиевую или медную пластину площадью 40-50 см 2 .

При необходимости радикально увеличить мощность блока питания вплоть до 1000 Вт имеет смысл воспользоваться ещё одной расхожей схемой ИБП с использованием более мощных полевых транзисторов (Рис.3).

Рис.3

Поскольку выходным драйверам IR2153 сложновато прокачать значительные ёмкости С_зи могучих полевиков, в схему добавлены двухтактные эмиттерные повторители на транзисторах Т1-Т4, во всём остальном схема повторяет свой менее мощный аналог, приведённый на Рис.2.
Значения ёмкостей конденсаторов С3, С4 приведены для мощности ИБП 500Вт, для 1000Вт их номиналы следует увеличить в 2 раза.
Пропорционально росту мощности ИПБ в соответствующее количество раз нужно увеличивать и размер радиатора полевых транзисторов.
Расчёт трансформатора произведём всё на той же странице — Ссылка на страницу.

Ну а на следующей странице с головой окунёмся в культработу над мощным лабораторным блоком питания с регулируемым выходным напряжением.

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); 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 t_u, после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t_u).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ_p=L₀/R_н

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В_max — В_r

• В_max – уровень максимального значения индукции;
• В_r –остаточный.

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

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 i_u).

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

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t_u остается неизменным, его значение е_t=U_m. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

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

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

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

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

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:

• L₀ — перепад индукции;
• µ_а — магнитная проницаемость сердечника;
• W₁ — число витков первичной обмотки;
• S — площадь сечения сердечника;
• l_cр — длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
• В_r — величина остаточной индукции;
• В_max – уровень максимального значения индукции.
• H_m — Напряженность магнитного поля (максимальная).

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

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора

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

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

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 Р_н.

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

Необходимые для вычисления параметры:

• S_c – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
• S₀ – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина U_I определяется выражением:

U_I=U/2-U_э ( U – питающее преобразователь напряжение; U_э— 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.

СБОРКА И НАЛАДКА ИМПУЛЬСНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ НА IR2153 IR2155

Практическую часть статьи рассмотрим на примере схемы №2 первой части сатьи и чтобы не перепрыгивать туда-сюда расположим здесь принципиальную схему данного блока питания:

Принципиальная схема импульсного блока питания на микросхеме IR2153 (IR2155)

Начинать сборку все равно с чего — либо с монтажа элементов на плату, либо с изготовления моточных деталей. Мы начнем с монтажа, поэтому лучше изучить чертеж расположения деталей повнимательней, к тому же некоторые элементы отличаются от предложенных на принципиальной схеме.
Например номиналы резисторов R16 и R18 отличаются чуть ли не в полтора раза. В данном случае номиналя этих резисторов не принципиальны и могут располоагаться в пределах от 33 кОм до 100 кОм, поскольку служать прежде всего для разрядки конденсатора С4 при снятии напряжения питания. Второстепенную роль, которую они выполняют, это формировании виртуального нуля, т.е. создания половины первичного напряжения, что немного предпочтительней простого соеднинения С13 и С14 с шинами питания.
Резисторы R14 и R17 — формируют небольшую задержку немного увеличивая время реакции системы защиты. Номиналы этих резисторов могут располагаться от 33 Ом до 180 Ом.

С13 и С14 — предназначены для развязки по постоянному напряжению обмотки трансформатора, на схеме 1 мкФ, на плате 2,2 мкФ. При частоте преобразования 60 кГц реактивное сопротивление конденсатора на 1 мкФ будет составлять Хс = 1 / 2пFC = 5,3 Ома, учитывая то, что по "схемному" вариант по переменному напряжению получается паралельное соединение, т.е. получается 2 мкФ, то реактивное сопротивление составит 2,7 Ома. При протекании через это сопротивление тока в 2 А на конднесаторе будет условное "падение" напряжения всего в 2,7 Ома х 2 А = 5,4 В, что составляет 1,8 %. Другими словами выходное напряжение блока питания будет изменяться менее чем на 2 % под нагрузкой и без нее за счет реактивного сопротивление конденсаторов. При использовании конденсаторов на 2,2 мкФ в качестве С13 и С14 реактивное сопротивление составляет 1,2 Ома и под нагрузкой оно изменится на 0,8 %. Учитывая то, что напряжениесети может колебаться до 7% и это считается нормой изменения в 0,8 — 2 % врядли кто заметит, поэтому можно использовать конденсаторы от 1 мкФ до 4,7 мкФ, правда в эту плату габариты емкостей на 4,7 мкФ уже не будут слишком велики.
Сопротивление R20 может колебаться в гораздо бОльших пределах, поскольку его номинал зависит от потребляемого вентилятором принудительного охлажедения и полученным в конечном итоге выходного напряжения.
Сомнения в итоговом напряжении не напрасны, поскольку силовой трансформатор высокочастотный и имеет небольшое количество витков, а мотать дробные части витка довольно проблематично. Для примера рассмотрим случай, когда первичная обмотка составляет 17 витков. Прилагаемое к ней напряжение равно 155 В (после выпрямителя на VD1 получается 310 В, следовательно половина напряжение питания и есть 155 В). Воспользуемся пропорцией U перв / Q перв = U втор / Q втор , где U перв — напряжение на первичной обмотке, Q перв — количество витков первичной обмотки, U втор — напряжение вторичной обмотки, Q втор — количество витков вторичной обмотки и выясним, какие вторичные напряжения мы можем получить:
155 / 17 = ? / 5, где " ? " — выходное напряжение. Если во вторичной обмотке у нас будет 5 витков, то выходное напряжение будет составлять 45 В, если вторичка будет 4 витка, то выходное напряжение трансформатора составит 36 В.
Как видите получить напряжение ровно 40 вольт уже проблематично — нужно мотать 4,4 витка, а реальность показывает, что использовать обмотки не кратные половине витка довольно рискованно — можно намагнитить трансформатор и потерять силовые транзисторы.
В конечном итоге после монтажа компонентов печатная плата блока питания приобретет следующий вид:

На плате пока нет диодных мостов, силовых транзисторов, радиатров и моточных деталей, о которых сейчас и поговорим. При изготовлении импульсных блоков питания не стоит забывать о скин эффекте, который проявляется при протекании через проводник высокочастотного сигнала. Смысл этого эффекта заключается в том, что чем выше частота переменного напряжениея, тем меньше протекает ток через середину проводника, т.е. ток как будто стремится выйти на поверхность. Отсюда и название SKIN -кожа, шкура. По этому для высокочастотных трансформаторов необходимое от протекающего тока сечение получают методом сложения в жгут нескольких проводников меньшего диаметра, тем самым существенно снижая скин эффект и увеличивая КПД преобразователя.
Самым популярным способом сложения проводников является витой жгут. Определившись с длиной провода, необходимого для обмотки (одинарным проводм мотают необходимое количество витков и добавляют к полученной длине еще 15-20%) необходмое количество проводов растягиваю на эту длину а затем при помощи дрели и воротка свивают в один жгут:

Изготовление ленточного жгута более трудоемко — провода растягивают в непосредственной близости другу к другу и склеивают полиуритановым клеем, типа "МОМЕНТ КРИСТАЛЛ". В результате получается гибкая лента, намоитка которой позоволяет добится наибольшей плотности намотки:

Перед намоткой ферритовое кольцо следует подготовить. Прежде всего необходимо закруглить углы, поскольку они с легкостью повреждают лак на обмоточном проводе:

Затем необходимо кольцо изолировать, поскольку феррит имеет достаточно низкое сопротивление и в случае повреждения лака на обмоточном проводе может произойти межвиитковое замыкание. В середине, на азднем плане кольцо обмотано обычной бумагой для принтера, справа — бумага пропитана эпоксидным клеем, в середине спереди — наиболее предпочтительный материал — фторопластовая пленка:

Так же кольца можно обматывать матерчатой изолентой, но она довольно толстая и существенно сокращает размер окна, а это не очень хорошо.
Используя в качестве сердечника ферритовое кольцо обмотку необходимо равномерно распределить по всему сердечнику, что довольно существенно увеличивает магнитную связь обмоток и уменьшает создаваемые импульсным трансформатором электро-магнитные помехи: