Как намотать дроссель для блока питания
В правильно сконструированном двухтактном преобразователе постоянный ток через обмотку и подмагничивание сердечника отсутствуют. Это позволяет использовать полный цикл перемагничивания и получить максимальную мощность. Поскольку трансформатор имеет много взаимозависимых параметров, расчет ведут по шагам, уточняя при необходимости исходные данные.
1. Как определить число витков и мощность?
Габаритная мощность, полученная из условия не перегрева обмотки, равна [1]:
Pгаб = So ⋅ Sc ⋅ f ⋅ Bm / 150 (1)
Где: Pгаб - мощность, Вт;
Sc - площадь поперечного сечения магнитопровода, см 2 ;
So - площадь окна сердечника, см 2 ;
f - частота колебаний, Гц;
Bm = 0,25 Тл - допустимое значение индукции для отечественных никель-марганцевых ферритов на частотах до 100 кГц.
Максимальную мощность трансформатора выбираем 80% от габаритной:
Pmax = 0,8 ⋅ Pгаб (2)
Минимальное число витков первичной обмотки n1 определяется максимальным напряжением на обмотке Um и допустимой индукцией сердечника Bm:
n1 = ( 0,25 ⋅ 10 4 ⋅ Um ) / ( f ⋅ Bm ⋅ Sc ) (3)
Размерности единиц здесь те же, что и в формуле (1).
Плотность тока в обмотке j для трансформаторов мощностью до 300 Вт принимаем 3..5 А/мм 2 (большей мощности соответствует меньшее значение). Диаметр провода в мм рассчитываем по формуле:
d = 1,13 ⋅ ( I / j ) 1/2 (4)
Где I - эффективный ток обмотки в А.
Пример 1:
Для ультразвуковой установки нужен повышающий трансформатор мощностью 30..40 Вт. Напряжение на первичной обмотке синусоидальное, с эффективным значением Uэфф = 100 В и частотой 30 кГц.
Выберем ферритовое кольцо К28x16x9.
Площадь его сечения: Sc = ( D - d ) ⋅ h / 2 = ( 2,8 - 1,6 ) ⋅ 0,9 / 2 = 0,54 см 2
Площадь окна: So = π ⋅ ( d / 2 ) 2 = π⋅ ( 1,6 / 2 ) 2 = 2 см 2
Габаритная мощность: Pгаб = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 / 150 = 54 Вт
Максимальная мощность: Pmax = 0,8 ⋅ 54 = 43,2 Вт
Максимальное напряжение на обмотке: Um = 1,41 ⋅ 100 = 141 В
Число витков: n1 = 0,25 ⋅10 4 ⋅ 141 / ( 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 ⋅ 0,54 ) = 87
Число витков на вольт: n0 = 87 / 100 = 0,87
Эффективное значение тока первичной обмотки: I = P / U = 40 / 100 = 0,4 A
Плотность тока выберем 5 А/мм 2 .
Тогда диаметр провода по меди: d = 1,13 ⋅ ( 0,4 / 5 ) 1/2 = 0,31 мм
2. Как уточнить плотность тока?
Если мы делаем маломощный трансформатор, то можем поиграть с плотностью тока и выбрать более тонкие провода, не опасаясь их перегрева. В книге Эраносяна [2, Стр.109] дана такая табличка:
Почему плотность тока зависит от мощности трансформатора?
Выделяемое количество теплоты равно произведению удельных потерь на объем провода. Рассеиваемое количество теплоты пропорционально площади обмотки и перепаду температур между ней и средой. С увеличением размера трансформатора объем растет быстрее площади и для одинакового перегрева удельные потери и плотность тока надо уменьшать. Для трансформаторов мощностью 4..5 кВА плотность тока не превышает 1..2 А/мм 2 [3].
3. Как уточнить число витков первичной обмотки?
Зная число витков первичной обмотки n вычислим ее индуктивность. Для тороида она определяется по формуле:
L = μ0 ⋅ μ ⋅ Sс ⋅ n 2 / la (5)
Где:
Площадь Sс дана в м 2 ;
средняя длина магнитной линии la в м;
индуктивность в Гн;
μ0 = 4π ⋅ 10 -7 Гн/м - магнитная постоянная.
В инженерном виде эта формула выглядит так:
Коэффициент AL и параметр мощности Sо ⋅ Sc для некоторых типов колец приведены в Таблице 2 [4,5,6]:
Для работы трансформатора в качестве согласующего устройства должно выполняться условие:
L > ( 4 .. 10 ) ⋅ R / ( 2 ⋅ π ⋅ fmin ) (6)
Где L - индуктивность в Гн;
R = U 2 эфф / Pн приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки Ом;
fmin - минимальная частота, Гц.
В ключевых преобразователях в первичной обмотке трансформатора текут два тока: прямоугольный ток нагрузки Iпр = Um / R и треугольный ток намагничивания обмотки IT:
Для нормальной работы преобразователя величина треугольной составляющей не должна превышать 10% от прямоугольной, т.е индуктивность обмотки должна удовлетворять неравенству:
При необходимости число витков увеличивают или применяют феррит с большей μ. Чрезмерно завышать число витков в обмотке не желательно. Из-за роста межвитковой емкости на рабочей частоте могут возникнуть резонансные колебания.
Выбранный феррит должен иметь достаточную максимальную индукцию и малые потери в рабочей полосе частот. Как правило, на низких частотах (до 1 МГц) применяют феррит с μ = 1000 .. 6000 , а на радиочастотах приходиться использовать материалы с μ = 50 .. 400.
Пример 2:
Трансформатор из Примера 1 намотан на кольце К28х16х9 из никель-марганцевого феррита 2000НМ с магнитной проницаемостью μ = 2000.
Мощность нагрузки P = 40 Вт , эффективное напряжение первичной обмотки Uэфф = 100 В , частота f = 30 кГц. Уточним число его витков.
Приведенное сопротивление нагрузки: R = 100 2 / 40 = 250 Ом
Площадь поперечного сечения магнитопровода: Sc = 0,54 см 2 = 0,54 ⋅ 10 -4 м 2
Средняя длина магнитной линии: la = π ( D +d ) / 2 = π ( 2,8 + 1,6 ) ⋅ 10 -2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 -2 м
Коэффициент индуктивности: AL = 4π ⋅ 10 -7 ⋅ 2000 ⋅ 0,54 ⋅ 10 -4 / 6,9⋅10 -2 = 1966 нГн / вит 2
Минимальная индуктивность первичной обмотки по формуле (6):
L = 10 ⋅ 250 / ( 2π ⋅ 3 ⋅ 10 4 ) = 13,3 мГн
Число витков: n = (13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6 ) 1/2 = 82
Оно даже меньше, чем рассчитанное ранее в Примере 1 nmin = 87.
Таким образом, условие достаточной индуктивности выполнено и число витков первичной обмотки n = 87.
↑ Печатная плата
Размеры платы (80 на 60 мм) и деталей некритичны, при желании можно добавить переключатель, который изменением С2 расширит диапазон работы, выключатель питания (я просто уменьшаю длительность импульсов до минимума), поставить VD3 на теплоотвод, внести другие опции. Синим цветом показаны перемычки (красная перемычка от диода VD3). VT1 — КТ3102.
↑ Работа с прибором
Установить R3 минимальную длительность импульса, плавно увеличивая ее, получить изображение на экране осциллографа. Сначала можно включить непрерывную развертку и внутреннюю синхронизацию, получить нестабильное изображение . Потом, подобрав чувствительность и частоту развертки, включить ждущую развертку и внешнюю синхронизацию, картинка станет как влитая.
На осциллографе с1-94 при чувствительности 0,1 В/дел, одна клетка соответствует току катушки 1 А. Увеличивая длительность импульса, добьемся перелома формы импульса вверх, считываем сколько клеток по оси Y снизу до перелома и определяем ток. Это и будет ток насыщения.
Возможны варианты – перелома не будет, а будет треугольник, который не растет при повороте регулятора R3. Это значит, насыщения нет, надо увеличить число витков катушки. Или форма не треугольная, а сглаженная – велико активное сопротивление катушки.
Если вы проверяете трансформатор, будьте осторожны, на неподключенных обмотках может быть значительное напряжение! И категорически запрещаю проверять так строчные телевизионные трансформаторы или силовые трансформаторы компьютерных блоков питания! Если катушка имеет индуктивность несколько миллигенри, она накапливает значительную энергию, которую поглощает мощный стабилитрон (он за этим и нужен), при этом он сильно разогревается (я это почувствовал по запаху), поэтому измерения таких катушек должны быть непродолжительны (я не спеша настраиваю осциллограф с небольшим импульсом, а потом поворачиваю ось R3 и засекаю ток перелома).
Содержание / Contents
↑ Схема
Я собрал измеритель на небольшой плате, детали самые обычные, там, где удобно, ставлю SMD и вам советую. Полевой транзистор — любой с нужной проводимостью на ток от 20 А и выше, с низким сопротивлением канала в открытом состоянии, можно низковольтный. Я поставил IFRP150. Стабилизатор 6 В на микросхеме 78L06. Если ее нет, можно ставить 78L05 и добавить 1-2 диода типа КД522 в разрыв общего провода 78L05 анодом к стабилизатору. Емкости С3С4 я поставил по 2200 мкФ на 35 В. Номиналы деталей не критичны. В процессе испытаний я понял, что нужна небольшая доработка схемы. Вместо VD3 VD4 я поставил один стабилитрон Д816В. Для увеличения импульса тока до 12 А между базой и эмиттером VT1 надо поставить резистор с номиналом, как у R5. Эти небольшие изменения позволяют испытать готовые индуктивности в несколько миллигенри. Номинал R4 я уменьшил втрое, что сделало луч на экране более ярким. Сигнал к входу синхронизации осциллографа снимается с вывода 11 микросхемы через резистор 1 кОм.
4. Какие ферриты можно применить и почему?
Как известно, сердечник в трансформаторе выполняет функции концентратора электромагнитной энергии. Чем выше допустимая индукция B и магнитная проницаемость μ , тем больше плотность передаваемой энергии и компактнее трансформатор. Наибольшей магнитной проницаемостью обладают т.н. ферромагнетики — различные соединения железа, никеля и некоторых других металлов.
Магнитное поле описывают две величины: напряженность Н (пропорциональна току обмотки) и магнитная индукция В (характеризует силовое действие поля в материале). Связь В и H называют кривой намагничивания вещества. У ферромагнетиков она имеет интересную особенность — гистерезис (греч. отстающий) — когда мгновенный отклик на воздействие зависит от его предыстории.
После выхода из нулевой точки (этот участок называют основной кривой намагничивания) поля начинают бегать по некой замкнутой кривой (называемой петлей гистерезиса). На кривой отмечают характерные точки — индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Br и коэрцитивную силу Нс.
Рис.1. Магнитные свойства ферритов. Слева форма петли гистерезиса и ее параметры. Справа основная кривая намагничивания феррита 1500НМ3 при различных температурах и частотах: 1 - 20кГц, 2 - 50кГц, 3 - 100 кГц.
По значениям этих величин ферромагнетики условно делят на жесткие и мягкие. Первые имеют широкую, почти прямоугольную петлю гистерезиса и хороши для постоянных магнитов. А материалы с узкой петлей используют в трансформаторах. Дело в том, что в сердечнике трансформатора есть два вида потерь — электрические, и магнитные. Электрические (на возбуждение вихревых токов Фуко) пропорциональны проводимости материала и частоте, а вот магнитные тем меньше, чем меньше площадь петли гистерезиса.
Ферриты это пресс порошки окисей железа или других ферромагнетиков спеченные с керамическим связующим. Такая смесь сочетает два противоположных свойства — высокую магнитную проницаемость железа и плохую проводимость окислов. Это минимизирует как электрические, так и магнитные потери и позволяет делать трансформаторы, работающие на высоких частотах. Частотные свойства ферритов характеризует критическая частота fc , при которой тангенс потерь достигает 0,1. Тепловые — температура Кюри Тс , при которой μ скачком уменьшается до 1.
Отечественные ферриты маркируются цифрами, указывающими начальную магнитную проницаемость, и буквами, обозначающими диапазон частот и вид материала.
Наиболее распространен низкочастотный никель-цинковый феррит, обозначаемый буквами НН. Имеет низкую проводимость и сравнительно высокую частоту fc. Но у него большие магнитные потери и невысокая температура Кюри.
Никель-марганцевый феррит имеет обозначение НМ. Проводимость его больше, поэтому fc низкая. Зато малы магнитные потери, температура Кюри выше, он меньше боится механических ударов.
Иногда в маркировке ферритов ставят дополнительную цифру 1, 2 или 3. Обычно, чем она выше, тем более температурно стабилен феррит.
Какие марки ферритов нам наиболее интересны?
Для преобразовательной техники хорош термостабильный феррит 1500НМ3 с fc=1,5 МГц, Bs=0,35..0,4 Тл и Tc=200 ℃.
Для спец применений выпускают феррит 2000НМ3 с нормируемой дезакаммодацией (временной стабильностью магнитной проницаемости). У него fc=0,5 МГц, Bs=0,35..0,4 Тл и Tc=200 ℃.
Для мощных и компактных трансформаторов разработаны ферриты серии НМС. Например 2500НМС1 с Bs=0,45 Тл и 2500НМС2 c Bs=0,47 Тл. Их критическая частота fc=0,4 МГц, а температура Кюри Tc>200 ℃.
Что касается допустимой индукции Bm, этот параметр подгоночный и в литературе не нормируется. Ориентировочно можно считать Bm = 0,75 Вsmin. Для никель-марганцевых ферритов это дает примерно 0,25 Тл. С учетом падения Bs при повышенных температурах и за счет старения в ответственных случаях лучше подстраховаться и снизить Bm до 0,2 Тл.
В настоящий момент дроссели на гантельных ферритовых магнитопроводах используются повсеместно в схемах импульсных источников питания, в основном как элемент выходного LC фильтра. Они компактные, технологичные, недорогие. Их применение оправдано в случаях высоких частот преобразования и небольших значений запасаемой энергии. Как раз значение запасаемой энергии является основным фактором ограниченного применения дросселей на гантельных ферритовых магнитопроводах. Для самого большого размера гантельного магнитопровода максимальное значение запасаемой энергии ограничено пределом:
E = ( L * I^2 ) / 2 = 0,000550 . 0,000600 ( Джоулей ) = 550 . 600 ( микроДжоулей ) .
В дальнейших расчетах используется энергетический показатель дросселя L * I^2.
Исходя из вышеизложенного энергетический показатель дросселя L * I^2 ограничен значением:
L * 2^2 = 1100 . 1200 ( микроГенри•А^2 ) .
1. Техническое задание.
Частота преобразования fп = 50 кГц.
Напряжение, прикладываемое к обмотке дросселя U=30 В
Требуемая индуктивность дросселя L = 100 мкГн;
Максимальное значение тока дросселя Imax = 2 A;
Размах колебаний тока дросселя ∆I = 0,5 A;
Действующее значение тока дросселя Irms = 1,75 A;
Максимальная температура окружающей среды Тср = 40°С.
Температура перегрева дросселя Тпер = 40°С.
2. Методика расчета.
2.1. Рассчитываем энергетический показатель дросселя L * Imax^2 в микроГенри * A^2.
L * I^2 = 100 * 2^2 = 400 ( мкГн * А^2 )
2.2. В качестве материала магнитопровода выбираем феррит марки F2 (аналог 600НН) из Таблицы 1.
Таблица 1. Материалы, применяемые при изготовлении гантельных магнитопроводов.
2.3. Так как дроссель работает в режиме непрерывного тока и колебания тока не значительны, потери в материале магнитопровода так же будут не значительны из-за низкого значения колебаний магнитной индукции. Поэтому можно выбрать режим «Перегрев обмоток».
Выбираем плотность тока Jmax = 8 ( А / мм^2 ) по Графику 1.
2.4. Выбираем коэффициент использования окна Ko = 0,4 по Графику 2.
2.5. Максимальная индукция.
При нагревании материала магнитопровода магнитная индукция насыщения Bs ферритов значительно снижается. При температуре 100 º С она снижается в зависимости от марки феррита на 20 - 25 % в сравнении с 25 º С. Помимо этого при выборе Bmax необходимо предусмотреть запас по индукции для того чтобы работать на линейных участках кривой намагничивания. Кроме этого, при небольших изменениях режимов работы схемы в которой стоит дроссель, может увеличиться ток через дроссель, что опять же приведет к увеличению индукции. В этом случае тоже необходимо предусмотреть запас по индукции. Поэтому:
Bmax = Bs * 0,5 = 0,31 * 0,5 = 0,15 ( Тл ) .
2.6. Действующая магнитная проницаемость гантельных магнитопроводов согласно экспериментальным данным, находится в пределах:
mэ = 35 . 39 . Для дальнейших расчетов примем mэ = 37
2.7. Требуемое значение Sст * Sок в мм ^4 , (при этом L в Гн) .
Sст * Sок = ( L * Imax^2 * 10^6 ) / ( Jmax * Ko* Вмах) = ( 100 * 10^-6 * 2^2 * 10^6 ) / ( 8 * 0,4 * 0,15 ) = 400 / 0,48 = 833 ( мм^4 ) .
2.8. Выбираем магнитопровод типа DR2W12*16 из Таблицы 2
Рисунок 1. Размеры гантельных магнитопроводов.
Таблица 2. Размеры гантельных магнитопроводов.
2.9. Минимальное требуемое количество витков на данном магнитопроводе для того, чтобы не превысить Bmax.
wmin = ( L * Imax ) / ( Bmax * Sст ) = ( 100 * 10^-6 * 2 ) / ( 0,15 * 28,26 * 10^-6 ) = 47 ( витков ) .
2.10. Число витков обмотки для обеспечения требуемой индуктивности.
w = SQR (( L * lст ) / ( mo * mэ * Sст )) = SQR (( 100 * 10^-6 * 25 * 10^-3 ) / ( 12,56 * 10^-7 * 37 * 28,26 * 10^-6 )) = 30,85 = 44 ( витка ) .
Минимальное требуемое количество витков на данном магнитопроводе для того, чтобы не превысить Bmax получилось больше чем число витков обмотки для обеспечения требуемой индуктивности. Принимаем компромиссное решение и число витков обмотки выбираем w=46 (витков). Это решение приведет к небольшому росту индуктивности дросселя, что во многих схемах источников питания является благом, и к небольшому увеличению максимальной индукции Bmax.
Тогда индуктивность дросселя:
L = mo * mэ * w^2 *( Sст / l ст) = 12,56 * 10^-7 * 37 * 46^2 * ( 28,26 * 10^-6 / 25 * 10^-3 ) = 0,000111 = 111 мкГн
2.11. Максимальная магнитная индукция рабочая.
Bmax = ( L * Imax ) / ( w * Sст ) = ( 111 * 10^-6 * 2 ) / ( 46 * 28,26 * 10^-6 ) = 0,17 ( Тл ) .
2.12. Минимальная магнитная индукция рабочая.
Bmin = ( L * (Imax - ∆I ) / ( w * Sст ) = ( 100 * 10^-6 * ( 2 - 0,5 ) / ( 46 * 28,26 * 10^-6 ) = 0,115 ( Тл ).
2.13. Колебания магнитной индукции.
∆Bmax = Bmax - Bmin = 0,17 - 0,115 = 0,055 ( Тл ).
2.14. Расчетное сечение провода.
Sпр = Irms / Jmax = 1,75 / 8 = 0,219 ( мм^2 )
2.15. Расчётный диаметр провода.
Dпр = 1,13 * SQR ( Sпр ) = 1,13 * SQR ( 0,219 ) = 0,53 ( мм ) .
Выбираем провод типа ПЭВ-2:
Dпр = 0,53 мм , Dпр из = 0,6 мм , Sпр = 0,221 мм^2 .
3. Конструктивный расчет размещения обмотки.
3.1. Выбираем коэффициент разбухания обмотки Краз и коэффициент укладки Кук провода из Таблицы 3.
Кук = 0,95 , Краз = 1,1 .
3.2. Средняя длина намоточного слоя:
lср нсл = D = 10 ( мм ) .
3.3. Среднее число витков в одном слое обмотки:
wср сл = ( lср нсл * Кук ) / Dпр из = ( 10 * 0,95 ) / 0,6 = 15,83 ( витка )
Округляем до ближайшего целого: wср сл = 16 ( витков ) .
3.4. Число слоев обмотки:
nсл = w / wср сл = 46 / 16 = 2,88
округляем до ближайшего большего целого nсл = 3
3.5. Радиальный размер (высота) обмотки h1:
h1 = nсл * Краз * Dпр из = 3 * 1,1 * 0,6 = 2 ( мм )
Так как радиальный размер обмотки h1 меньше высоты окна магнитопровода = ( A - C ) / 2 = ( 12 - 6 ) / 2 = 3 мм, считаем что обмотка влезет в окно магнитопровода с запасом.
3.6. Средняя длина витка, lср вит:
lср вит = 3,14 * ( C + h1 ) = 3,14 * ( 6 + 2 ) = 25,1 ( мм ) .
3.7. Общая длина одной жилы провода обмотки, lw:
lw = lср вит * w = 25,1 * 46 = 1155 ( мм ) .
4. Тепловой расчет.
4.1. Удельное сопротивление меди при заданной температуре перегрева, ρмт :
ρмт = 0,01724 * ( 1 + 0,0042 * ( Тср + Тпер - 20 ) ) = 0,01724 * ( 1 + 0,0042 * ( 40 + 40 - 20 ) ) = 0,02158 ( ( Ом * мм^2 ) / м ) .
4.2. Погонное сопротивление провода обмотки, Rпог :
Rпог = ρмт / S пр = 0,02158 / 0,221 = 0,098 ( Ом / м ) .
4.3. Активное сопротивление провода обмотки, Rакт :
Rакт =Rпог * lw = 0,098 * 1,115 = 0,113 ( Ом ) .
4.4. Потери в проводе обмотки, Pw акт :
Pw акт = Rакт * Irms^2 = 0,113* 1,75^2 = 0,346 ( Вт ) .
4.5. Относительный тангенс угла магнитных потерь из Таблицы 1 :
( tgδμ / μR ) * 10^6 = 60 .
4.6. Удельные объемные потери материала магнитопровода, Pм уд :
Pм уд = 5 * fп * ∆B^2 *( ( tgδμ / μR ) * 10^6 ) = 5 * 50000 * 0,055^2 * 60 = 45375 ( Вт / м^3 ) .
4.7. Потери в материале магнитопровода, Pм :
Pм=Pм уд * Vст = 45375 * 621,72∙10^-9 = 0,028 ( Вт ) .
4.8. Общие потери , Pдр :
Pдр = Pм + Pw акт = 0,346 + 0,028 = 0,374 ( Вт ) .
4.9. Поверхность охлаждения, Sохл :
Sохл = 2 * 0,785 * А^2 + 3,14 * A * ( B - D ) + 3,14 * ( C + h1 ) * D = 2 * 0,785 * 12^2+3,14 * 12 * ( 16 - 10 ) + 3,14 * ( 6 + 2 ) * 10 = 703 ( мм^2 )
4.10. Температура перегрева, Тпер :
Тпер = Pдр / ( 13 * Sохл ) = 0,374 / ( 13 * 703 * 10^-6 ) = 40,9 ℃
Расчетная температура перегрева не много превышает заданную. Здесь необходимо принять решение о возможности эксплуатации дросселя при расчетной температуре перегрева. Либо необходимо уменьшить плотность тока в проводе обмотке и провести расчет заново. Расчет окончен.
Литература.
1. Расчет источников электропитания устройств связи. В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов. Москва. Издательство «Радио и связь». 1992 г.
2. Источники питания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.. Под редакцией Г.С. Найвельта. Москва. Издательство «Радио и связь». 1986 г.
3. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник. Москва. Издательский дом «Додека-XXI». 2001 г.
SERGR Опубликована: 27.02.2022 0 0
Вознаградить Я собрал 0 2
Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
↑ Наладка
Вместо L1 подключить резистор примерно 1 кОм и проверить прямоугольную форму импульсов на выводе 11 микросхемы, на стоке, проверить регулировку изменения скважности от R3. При исправных деталях наладка не требуется. Если необходимо, можно по вкусу изменить частоту и диапазон регулировки емкостью С2 и резисторами R3R4.
↑ Итого
Для тех, кто занимается импульсными источниками питания, данный прибор будет полезен. Радиолюбитель обычно делает единичные устройства из тех узлов из деталей, которые может найти. Я не согласен с теми, кто пишет, что для LM2576 дроссель можно намотать на гвозде. Работать он может и будет (за счет внутримикросхемных ограничителей и предохранителей), но получить хороший КПД и хорошую стабилизацию не получится. Прибор, конечно, не первой необходимости, но дешев, прост и портативен, поэтому иметь его полезно.
1. Как определить число витков и мощность?
Габаритная мощность, полученная из условия не перегрева обмотки, равна [1]:
Pгаб = So ⋅ Sc ⋅ f ⋅ Bm / 150 (1)
Где: Pгаб - мощность, Вт;
Sc - площадь поперечного сечения магнитопровода, см 2 ;
So - площадь окна сердечника, см 2 ;
f - частота колебаний, Гц;
Bm = 0,25 Тл - допустимое значение индукции для отечественных никель-марганцевых ферритов на частотах до 100 кГц.
Максимальную мощность трансформатора выбираем 80% от габаритной:
Pmax = 0,8 ⋅ Pгаб (2)
Минимальное число витков первичной обмотки n1 определяется максимальным напряжением на обмотке Um и допустимой индукцией сердечника Bm:
n1 = ( 0,25 ⋅ 10 4 ⋅ Um ) / ( f ⋅ Bm ⋅ Sc ) (3)
Размерности единиц здесь те же, что и в формуле (1).
Плотность тока в обмотке j для трансформаторов мощностью до 300 Вт принимаем 3..5 А/мм 2 (большей мощности соответствует меньшее значение). Диаметр провода в мм рассчитываем по формуле:
d = 1,13 ⋅ ( I / j ) 1/2 (4)
Где I - эффективный ток обмотки в А.
Пример 1:
Для ультразвуковой установки нужен повышающий трансформатор мощностью 30..40 Вт. Напряжение на первичной обмотке синусоидальное, с эффективным значением Uэфф = 100 В и частотой 30 кГц.
Выберем ферритовое кольцо К28x16x9.
Площадь его сечения: Sc = ( D - d ) ⋅ h / 2 = ( 2,8 - 1,6 ) ⋅ 0,9 / 2 = 0,54 см 2
Площадь окна: So = π ⋅ ( d / 2 ) 2 = π⋅ ( 1,6 / 2 ) 2 = 2 см 2
Габаритная мощность: Pгаб = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 / 150 = 54 Вт
Максимальная мощность: Pmax = 0,8 ⋅ 54 = 43,2 Вт
Максимальное напряжение на обмотке: Um = 1,41 ⋅ 100 = 141 В
Число витков: n1 = 0,25 ⋅10 4 ⋅ 141 / ( 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 ⋅ 0,54 ) = 87
Число витков на вольт: n0 = 87 / 100 = 0,87
Эффективное значение тока первичной обмотки: I = P / U = 40 / 100 = 0,4 A
Плотность тока выберем 5 А/мм 2 .
Тогда диаметр провода по меди: d = 1,13 ⋅ ( 0,4 / 5 ) 1/2 = 0,31 мм
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать
Опробовано в лаборатории редакции или читателями.
↑ Теория
В наше время можно недорого купить микросхемы, позволяющие собирать простые и эффективные импульсные источники питания, например, MC34063 или LM2576. Есть даже программы-калькуляторы, помогающие определить номиналы деталей или можно воспользоваться datasheet. Но возникает одна маленькая проблема — нужно намотать дроссель, который должен обладать определенной индуктивностью и сохранять эту индуктивность при значительном токе подмагничивания — до нескольких Ампер .
К сожалению, ассортимент готовых индуктивностей в магазинах беден и нужные часто недоступны. В то же время можно купить ферритовые сердечники или взять их, например, из раскуроченных электронных балластов для люминесцентных или галогеновых ламп.
Определить индуктивность можно без специальных приборов с помощью компьютера и программного пакета Arta Software, о чем я писал в прошлых публикациях (LIMP - программный измеритель RCL).
Сложнее определить, войдет сердечник в насыщение (и нарушится нормальная работа блока питания) или нет. Многолетний редактор журнала «Радио» и автор множества статей по тематике импульсных преобразователей Сергей Алексеевич Бирюков написал статью «Дроссели для импульсных источников питания на ферритовых кольцах». В ней есть практическая схема, позволяющая увидеть и измерить ток насыщения на экране осциллографа.
В статье множество формул и таблиц, я же постараюсь объяснить всё ненаучно, на пальцах.
Для того чтобы сделать дроссель надо рассчитать или взять из datasheet нужную индуктивность. Берем сердечник, на котором будем наматывать катушку и мотаем несколько десятков витков удобным проводом, например, 0,3 мм. Измеряем индуктивность, затем рассчитываем, сколько надо витков для будущего дросселя. Для этого вспоминаем, что индуктивность прямо пропорциональна квадрату числа витков. Если намотано 30 витков и индуктивность 20 мкГн, то чтобы получить 180 мкГн, надо намотать 90 витков.
Теперь вспомним что такое Ампер -витки. Это произведение числа витков на протекающий ток. Сердечник одинаково намагнитят 200 витков при токе 1 А или 1 виток при токе 200 А, или 50 витков при токе 4 А. Значит, если мы узнаем, при каком токе насытится сердечник от нашей пробной катушечки в 30 витков, мы легко узнаем какой ток выдержит наш дроссель с рабочей катушкой в 90 витков.
Надо только не забывать, что индуктивность лучше делать немного бОльшей, чем рекомендуется и что при уменьшении числа витков индуктивность падает гораздо быстрее, чем растет допустимый ток. Кроме того, для уменьшения потерь надо использовать толстый провод.
Не исключено, что данный сердечник может не подойти, тогда, если это кольца, можно сложить два-три кольца или взять другой типоразмер или даже включить два дросселя последовательно.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
сдохнуть от голода после растрат от таких "рацух" куда страшнее, чем моментальная смерть . Зачем все умышленно путают то, что делается для рядового потребителя и на века от банальной оснастки радиолюбителя или ремонтника? Я в эпоху службы в ВУЗ-е МЧС услышал от матери, которая работала инженером в СКТБ , связанным с электрооборудованием вопрос: "Кто у вас там таких дегенератов готовит"? А все опосля того, как пришел долПоЖОБ - выпускник-лейтенант и увидев ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД с порога заявил - "У Вас открытая проводка"!
А нужны ли шунтирующие диоды для светодиодов? Мне представляется, что обратный ток через верхние диоды слишком мал, чтобы нанести какой-либо вред светодиодам. Хотел собрать схему, но не обнаружил ни свободного шнура с вилкой, ни патрона для лампы. Диоды и светодиоды под рукой, а вилки и патроны где-то на балконе. Пожалуй, в 3 часа ночи я туда не полезу. Так что эксперимент откладывается.
Еще в Радио 1977 года простая схема на светодиодах для постоянного напряжения. (если между H4 и R1 добавить диод для надежности то будет и на переменном перемигиваться)
Они хоть и не приемлют закон Ома (на всё воля Аллаха), но таки всё чаще они монтируют исключительно правильно и аккуратно (особенно если объяснишь как оно должно быть, и что желто зелёный провод - исключительно для заземления. )!. На пищащий тестер в режиме прозвона уже не смотрят как на шайтан машину, которая если засвистит - значит денег не будет. С уважением, Сергей
Дроссель для защиты от синфазных помех, генерируемых импульсным источником питания
Синфазный дроссель — важнейший компонент входного фильтра любого импульсного источника питания. Дело в том, что в процессе работы импульсного преобразователя любой топологии, при переключении полевых транзисторов возникают синфазные помехи, которые распространяются в проводниках и по дорожкам печатных плат.
Эти помехи представляют собой вредные импульсные токи высокочастотного диапазона, которые текут одновременно и по плюсовому и по минусовому проводам, причем в одном и том же направлении. Если эти помехи в конце концов попадут в сеть питания переменного тока, то они способны не только понизить качество функционирования приборов включенных в сеть по соседству, но даже вывести их из строя, особенно сигнальные цепи цифровых блоков.
По данной причине, сегодня все бытовые приборы, принципиально могущие стать источниками синфазных помех, оснащены синфазными дросселями. К таким прибором относятся: принтеры, сканеры, мониторы, плееры, периферия ПК, сами ПК и т. д.
В каждом устройстве, где имеется импульсный блок питания, на входе после конденсатора фильтра обязательно установлен двухобмоточный синфазный дроссель на кольцевом или П-образном сердечнике. По бокам от дросселя установлены конденсаторы для подавления дифференциальных помех (дифференциальные помехи — это отдельная тема), а также высоковольтные Y-конденсаторы.
Две обмотки синфазного дросселя намотаны на общий сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как феррит. И если по проводам обмоток потекут токи синфазной помехи - от источника в сторону сети, то магнитные поля этих токов сложатся, и индуктивность дросселя проявит себя в полной мере подавлением этих токов: львиная доля их энергии уйдет на создание магнитного поля, - таким образом амплитуда помехи существенно уменьшится, и до сети переменного тока синфазная помеха если и дойдет, то сильно ослабленной, уже не способной как-то вредоносно себя проявить.
С другой стороны, когда переменный ток из сети подается к потребителю, встречая на своем пути синфазный дроссель, он не испытывает абсолютно никакого сопротивления, ибо омическое сопротивление проводов пренебрежимо мало, а магнитные поля токов в двух проводниках направлены противоположно друг другу и равны по величине между собой.
Катушки абсолютно идентичны и намотаны идеально симметрично. Часто эти обмотки выполнены намоткой в два провода, что минимизирует индуктивность рассеивания между ними. Получается, что индуктивность синфазного дросселя для обычного импульсного тока, который в двух проводах имеет противоположное направление и одну и ту же величину, будет нулевой. Таким образом, синфазный дроссель мешает исключительно синфазным помехам, источником которых является блок питания, а не сеть переменного тока.
А если бы синфазного дросселя не было, то синфазная помеха беспрепятственно проникла бы и в сеть переменного тока, не помешали бы и конденсаторы между проводами на пути ее распространения.
Что касается эффективных конденсаторов на пути синфазной помехи, то это - керамические высоковольтные конденсаторы (Y-конденсаторы) емкостью в единицы нанофарад, устанавливаемые между каждым проводом питания и шиной заземления, чтобы часть энергии синфазных помех уходила бы в землю. Для рабочего тока данные конденсаторы представляют очень большое сопротивление, в связи с чем на КПД устройства не влияют.
Выпускаемые промышленностью выводные и SMD синфазные дроссели для плат импульсных источников питания отличаются рядом преимуществ. Они довольно компактны, не занимают много места на печатной плате, их активное сопротивление не превышает единиц мОм, а максимально допустимый ток питания через дроссель зависит по сути только от толщины провода и мощности устройства. Номинальный ток варьируется от 1мА до 10 А. Типовые величины индуктивностей — от 10 мкГн до 100 мГн.
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Предлагаю вашему вниманию простой прибор, который поможет рассчитывать и испытывать катушки на ферритах с неизвестными параметрами.
Читайте также: