(Продолжение, начало в №1/2000) Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания Потери в проводе обмотки в общей шелковой оплетке, ко торый предназначен для ра 1 PобмIампл 2t ассмотренный в

предыдущем диочастотных цепей. Опять Rобм = (Вт), (13) 3 t0 + t1 номере журнала пример пока- таки, форма тока через обмотку Р должна приниматься во вни зывает, что введение зазора где Iампл - амплитудное значение в сердечник дает возможность зна- мание, и для большинства тока, А;

чительно увеличить максимальный дросселей влияние скин t1 - время в течении которого ток через КИ. Чем больше зазор, эффекта можно игнорировать.

через обмотку протекает ток тре тем больший ток сможет выдержать Невозможно увеличивать угольной формы, мкс;

катушка. Чтобы сохранить при этом сечение обмоточных проводов t0 - время в течении которого ток неизменной индуктивность, обмот- беспредельно, иначе обмотку через обмотку отсутствует, мкс.

ка должна содержать больше вит- не удастся разместить на сер ков. Однако, увеличивая число вит- дечнике. В таком случае необ Используя более толстый обмо ков, мы увеличиваем сопротивле- ходимо использовать сердеч точный провод можно уменьшить со ние обмотки. Это ведет к дополни- ник большего размера. Боль противление обмотки. В таблице тельным потерям мощности в про- ший сердечник будет иметь приведены параметры обмоточных водах ("потери в меди"): больший размер окна для на проводов. В частности, для толстых мотки провода и, как правило, проводов указано их сопротивление Pобм = RобмI2 (Вт), (12) большую величину AL. Значит, на частоте 40 кГц, являющейся до надо будет намотать меньше вольно типичной рабочей частотой где Rобм - сопротивление обмотки, витков, чтобы получить ту же ИИП. Увеличение сопротивления с Ом;

индуктивность. Меньше витков - ростом частоты обусловлено так на I - ток через обмотку, А. меньше поток магнитной индук зываемым скин-эффектом: на высо ции в сердечнике, значит, мож ких частотах протекающий ток вы Для расчета потерь в обмотке но уменьшить и величину за тесняется на наружную поверхность требуется учитывать форму тока зора (в случае, когда зазор не провода. Наиболее заметно скин через КИ. Например, через дроссе- обходим). Это увеличит экви эффект проявляется именно для ли в фильтрах питания и во многих валентную магнитную прони толстых проводов, имеющих высо понижающих преобразователях цаемость сердечника и даст кое отношение площади поперечно течет практически постоянный ток. еще большую величину AL и го сечения к длине наружной по Для них переменная составляющая т.д. Обратное тоже верно: если верхности сечения провода. Для тока через КИ относительно мала и сердечник слишком велик, то проводов диаметром менее 0,5 мм составляет 10-20% от величины провода потребуется немного, влияние скин-эффекта на частотах постоянного тока через обмотку. но габариты и стоимость КИ до 100 кГц пренебрежимо мало. В Для расчета потерь в меди пере- окажутся высокими.

качестве практической меры борьбы менной составляющей тока можно Вообще, степень заполне со скин-эффектом можно рекомен пренебречь и использовать форму- ния сердечника проводом мо довать намотку в несколько прово лу (12) непосредственно, подстав- жет служить неплохим косвен дов, причем диаметр каждого про ляя в нее усредненное значение ным признаком качества конст водника желательно выбирать не тока, протекающего через дрос- руирования трансформатора более 1мм. Одновременно это об сель. или дросселя. Если сердечник легчит и процесс намотки, поскольку Форма тока в первичной об- заполнен проводом менее, чем совладать с толстыми проводами не мотке трансформатора двухтактно- наполовину, то, скорее всего, так-то просто. Но не следует впа го преобразователя имеет форму, это свидетельствует о том, что дать и в другую крайность, набирая близкую прямоугольной. Если об- конструкция КИ далека от оп очень много тонких проводников в мотка имеет две половины, то каж- тимальной.

пучок, так как при этом процесс на дая из них будет рассеивать 1/ мотки становится чрезмерно слож часть мощности, найденной по Трансформаторы ным, а выигрыш незначителен. В формуле (12).

ИИП, работающих на частотах ниже В ИИП с прерывистым током Эквивалентная схема 100 кГц, не дает практических пре дросселя ток будет иметь треуголь- транс-форматора приведена на имуществ и использование лиценд ную форму с паузами. В таком слу- рисунке 1:

рата, то есть провода заводского из чае потери в проводе надо рассчи готовления, состоящего из пучка тывать по формуле:

тонких изолированных проводников Таблица 6. Характеристики медных обмоточных проводов Примечание: предельно допустимый постоянный ток рассчитан для плотности тока 2,565 [А/мм2] Площадь Сопротивление Сопротивление на Предельно допус Диаметр намагничивая его. Соответственно, сечения, постоянному частоте 40 кГц, тимый постоян [мм] даже сравнительно малые транс [мм2] току, [Ом/м] [Ом/м] ный ток, [А] форматоры способны передавать значительную мощность в нагрузку, 0.05 0.00196 9.6 0. если они имеют большую индуктив 0.08 0.00503 3.73 0. ность первичной обмотки и малые потери в проводах.

0.1 0.00785 2.35 0. Чтобы получить наибольшую 0.125 0.01227 1.486 0. индуктивность первичной обмотки, 0.14 0.01539 1.178 0. для трансформаторов используют 0.15 0.02011 0.897 0. сердечники без зазора и магнитные материалы с высокой проницаемо 0.18 0.02545 0.706 0. стью. Это обеспечивает макси 0.2 0.03142 0.57 0. мальные величины AL сердечника.

0.224 0.03941 0.452 0. Кроме того, трансформаторы, как 0.25 0.00491 0.365 0. правило, должны иметь сравни тельно большое число витков в 0.28 0.06158 0.29 0. первичной обмотке. Однако некото 0.315 0.07793 0.229 0. рые схемы управления ИИП рабо 0.355 0.09898 0.179 0. тают в режиме "жесткого старта" в 0.4 0.1257 0.142 0. момент включения питания, при этом длительность импульсов мо 0.45 0.159 0.1117 0. жет быть намного больше, чем в 0.5 0.1964 0.0903 0. рабочем режиме. В результате, при 0.56 0.2463 0.0721 0. запуске ИИП сердечник без зазора 0.63 0.3117 0.0568 0. входит в насыщение, силовые тран 0.71 0.3959 0.0448 1.016 зисторы могут выйти из строя, а ра бота цепей обратной связи ИИП на 0.75 0.4418 0.0402 1. рушается. Простым решением про 0.8 0.5027 0.0353 1. блемы "жесткого старта" может слу 0.85 0.5675 0.0313 0.0339 1. жить введение небольшого зазора в 0.9 0.6362 0.0279 0.032 1. сердечник трансформатора. Однако 1 0.7854 0.0226 0.0254 2. ни в коем случае не следует рас 1.12 0.9852 0.018 0.021 2. сматривать такое решение как уни 1.25 1.227 0.0145 0.0176 3.148 версальное, поскольку зазор, помо гая при старте, в нормальном ре 1.4 1.539 0.0115 0.0151 3. жиме вызывает дополнительные 1.5 1.767 0.01003 0.0141 4. потери в меди обмоток и в силовых Без учета омического сопро- гии из первичной обмотки во вто ключах ИИП. Хорошо сконструиро тивления обмоток и потерь в сер- ричную, то его стремятся сконст ванная схема управления обеспе дечнике трансформатор может руировать таким образом, чтобы L чит "мягкий старт" и позволит ИИП быть представлен в виде индуктив- имела максимально возможную ве надежно работать без зазоров в ности первичной обмотки L, индук- личину. Вообще говоря, индуктив сердечнике.

тивности рассеяния Ls, емкости ность L не играет никакой "положи Исходные стадии расчета первичной обмотки C1 и приведен- тельной" роли в таких случаях.

трансформаторов подробно осве ной емкости вторичной обмотки Увеличивая индуктивность, тем са щены в литературных источниках.

мым уменьшают собственный ток Полученное в результате таких КИ, что делает ее "менее заметной" расчетов значение минимальной для схемы. Большая индуктивность необходимой индуктивности пер имеет большее реактивное сопро вичной обмотки следует использо тивление и в меньшей степени вать при создании трансформатора шунтирует передаваемые через на основе изложенной выше для КИ трансформатор импульсы. Намаг методики, то есть выбрать из таб ничивание сердечника трансфор лицы сердечник, рассчитать тре матора происходит только тем то буемое количество витков по фор ком, который ответвляется в индук C2".

муле (7) и выбрать намоточные тивность первичной обмотки. Эле провода для первичной и вторичной ктрическая энергия в трансформа Рис.1 Эквивалентная схема трансформатора обмоток.

торе передается из первичной об После этого следует прове мотки во вторичную непосредст Когда трансформатор исполь рить, не входит ли сердечник в на венно, как бы минуя сердечник и не зуется для прямой передачи энер сыщение. Зная величину индуктив- напряжение первичной обмотки, ток через индуктивность первичной ности, максимальную длительность можно вычислить максимальный обмотки ИИП (ток магнетизации):

импульса и максимальное рабочее нормальной работоспособности КИ, ных токах обмотки, потерями в сер но, кроме этого, следует обеспе- дечнике часто можно пренебречь.

U t Iмакс = (А), (14) чить приемлемый уровень потерь в Магнитное поле сердечника у таких L материале сердечника ("потери в дросселей почти постоянное, а пе железе"). ремагничивание происходит по так где U - напряжение на первичной Никакой магнитный материал не называемой частной петле гистере обмотке, В;

является идеальным. Некоторые зиса, имеющей малую площадь и, t - длительность импульса, мкс;

ферриты имеют относительно низ- соответственно, малые потери.

L - индуктивность первичной кое удельное сопротивление, что Однако это верно не всегда и, обмотки, мкГн.

вызывает потери за счет вихревых например, некоторые простейшие Подставляя полученное значе токов в сердечнике. Кроме того, при схемы понижающих преобразова ние в выражение (8), находим ве перемагничивании магнитный ма- телей перемагничивают сердечник личину плотности потока магнитной териал не возвращается точно в своего дросселя по большому цик индукции в сердечнике. Как отме исходное состояние, кривая лу, от нуля до амплитудного значе чалось выше, для ферритов она не намагниченности всегда имеет ния. Для трансформаторов поток должна превышать 300Е500 мТ.

петлю гистерезиса. Поэтому в магнитной индукции меняется или Выражение (14) можно преоб каждом цикле работы сердечник от нуля до амплитудного значения разовать таким образом, чтобы оп отбирает часть энергии ИИП и (однотактные преобразователи), ределить требуемую величину ин превращает ее в тепло. Чем или от отрицательного до положи дуктивности первичной обмотки при меньше ширина петли гистерезиса, тельного амплитудного значения заданном токе магнетизации:

тем меньше потери в магнитном (двухтактные преобразователи). В U t материале.

Одновременно, чем меньше ча- таких случаях потери в феррите L = (мкГн), (15) стота работы ИИП, тем меньше могут быть очень велики. Мне I циклов перемагничивания и мень- встречались неудачные конструк где U - напряжение на КИ, В;

ше потерь. Кроме того, чем меньше ции трансформаторов, в которых t - длительность импульса, мкс;

объем сердечника тем, меньше при длительной работе плас I - ток через КИ, А.

сумма потерь в нем при той же амп- тиковый каркас обмотки расплав литуде изменения магнитного поля. лялся из-за нагрева феррита.

Ширина петли гистерезиса зави- Потери в сердечнике сит от марки материала, а также от Алексей Кузнецов амплитуды изменения потока маг- akouz@senet.com.au Однако недостаточно всего нитной индукции в сердечнике. Для Продолжение следует лишь избежать насыщения сердеч дросселей, работающих при боль ника. Это необходимое условие ших, но преимущественно постоян    Книги, научные публикации