Ферритовые кольца мощность трансформатора

Расчёт и изготовление трансформатора для импульсного блока питания
на тороидальном (кольцевом) ферритовом сердечнике. Онлайн калькулятор обмоток.

«Как-то лет в 12 нашёл я старый трансформатор, слегка перемотал его и включил.
Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом.
Вот так я и начал изучать силовую электронику».

А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами.
При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один — массогабаритные показатели. Всё остальное — сплошной минус.
Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований.

Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR2153 и IR2155, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.
И если сердце импульсного блока питания колотится внутри готовой буржуйской микросхемы, то главным, ответственным за электрохозяйство среди остальных наружных образований, безусловно, является правильно выполненный трансформатор.

Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД.
Но самое главное — при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов.

По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами. Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику.

И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое.
Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.

Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR2153 с идентичными заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов.
А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание «что-то подправить в консерватории». Объясняется это желание просто — существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора.

А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR2153, не обременённую ни устройством защиты, ни какими-либо другими излишествами.


Рис.1

Схема проверена временем и многочисленными опытами изрядно пощипанных током, неустрашимых радиолюбителей, так что не работать в ней — просто нечему.

Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора.

Мотать его будем на бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя 2000НМ или импортных — EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода.

Концепция выбора габаритной мощности с запасом в 10% от максимальной мощности в нагрузке, заложенная в режимы автоматического подбора сердечника в большинстве калькуляторов, хотя и не противоречит теоретическим расчётам, учитывающим высокий КПД импульсного трансформатора, но всё же наводит на грустную мысль о ненадлежащей надёжности и возможной скорой кончине полученного моточного изделия.
Куда мне ближе трактовка этого параметра, описанная в литературе: Pгаб>1,25×Рн .

Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR2153, равной 50 кГц. Почему именно такой?
Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры.
А не выше, потому что мы пилоты. А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше 60-70 кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в 3-9 раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину.

Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки.
Результаты сведём в таблицу.

Мощность блока
питания, Вт
Размеры кольца, мм ;
(габаритная мощность, Вт)
Количество витков
первичной обмотки
Индуктивность
обмотки, мГн
25 R 20×12×6 2000НМ (33,8 Вт)
R 22,1×13,7×6,35 №87 (51,5 Вт)
50 R 22,1×13,7×12,5 №87 (100,1 Вт)
R 22,1×13,7×7,9 №87 (63,9 Вт)
R 27×18×6 2000НМ (85,3 Вт)
100 R 28×16×9 2000НМ (136 Вт)
R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт)
200 R 28×16×18 2000НМ (268 Вт)
R 29,5×19,0×14,9 №87 (297 Вт)
R 30,5×20,0×12,5 №87 (265 Вт)
R 34,0×20,5×10,0 №87 (294 Вт)
R 34,0×20,5×12,5 №87 (371 Вт)
R 38×24×7 2000НМ (278 Вт)
400 R 36,0×23,0×15,0 №87 (552 Вт)
R 38×24×14 2000НМ (565 Вт)
R 40×25×11 2000НМ (500 Вт)
800 R 40×25×22 2000НМ (998 Вт)
R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)
R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт)
1500 R 50,0×30,0×20,0 №87 (1907 Вт)
R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)

Как следует мотать первичную обмотку трансформатора?


Рис. 2 а) б) в) г) д)

Если используются кольца 2000НМ отечественного производителя, то для начала — посредством наждачной бумаги скругляем наружные острые грани до состояния, приведённого на Рис.2 а).

Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку (Рис.2 б). В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту.

Для буржуйских колец фирмы EPCOS первые два пункта практической ценности не имеют.

Настало время намотать однослойную обмотку «виток к витку» (Рис.2 в). Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода — это важно!

Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра (Рис.2 г). Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре (или два провода по 0,7мм).

Ну и для завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку — пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты (Рис.2 д).

А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения.
Казалось бы, расчёты количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора настолько банальны и очевидны, что, как говаривал товарищ Мамин-Сибиряк — «яйца выеденного не стоят».
Да только вот опять — не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Поэтому для начала приведём формулу зависимости выходного напряжения от соотношения количества витков обмоток:
W1 (Uвх — Uдм1)/2 — Uнас ,
W2 (Uвых+Uдм2)

где Uвх — значение выпрямленного напряжения сети, равное 1,41×220≈310В,
Uдм1 — падение напряжения на входном диодном мосте ≈ 1В,
Uдм2 — падение напряжения на выходном диодном мосте ≈ 1В,
Uнас — напряжение насыщения на ключевом транзисторе ≈ 1,6В.
Подставив значения, получаем конечную формулу W2 = W1×(Uвых+1)/153.
Это формула верна для случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу.
Если же данный параметр нас интересует при максимальном токе нагрузки, то практика показывает, что количество витков вторичной обмотки следует увеличить на 10%.

Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора. Диаметр этот достаточно просто вычисляется по формуле:
D = 1,13× I / J ,
где I — ток обмотки, а J — параметр плотности тока, напрямую зависящий от мощности трансформатора и принимающий для кольцевых сердечников значения:
≈4,5 для мощностей до 50Вт; ≈4 для 50-150Вт; ≈3,25 для 150-300Вт и ≈2,75 для 300-1000Вт.

И в завершении приведу незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора.

Точно так же, как и в случае с первичной обмоткой — вторичная должна быть как можно более равномерно распределена по периметру магнитопровода.

Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода. При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора.

При необходимости поиметь двуполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий — к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец — к GND-у.

Ну что ж, с трансформатором определились, пора озадачиться полным джентльменским набором настоящего мужчины — плавками с меховым гульфиком, а главное, непосредственно импульсным блоком питания, оснащённым такими значимыми прибамбасами, как устройства мягкого пуска и защиты от токовых перегрузок и КЗ.
Всё это хозяйство подробно опишем на странице Ссылка на страницу.

Источник

Ферритовые кольца мощность трансформатора

Вот интересно, как рассчитать трансформатор тока на стандартном МН2000 кольце? Обычный трансформатор очевидно без проблем считаем по соотношению обмоток 100:1 и нагружаем резистором 0.5 ома например.

А как поведет себя феррит? Он же «слабый» для 50Гц и «слабо» свяжет 2 обмотки.

Например в первой обмотке 1-10 ампер, вторая 100 витков и нагружена на резистор 1 ом, или 1000 ом, что у нас будет на вторичной обмотке вообще? Вроде передаточная характеристика будет линейной, там магнитное поле слабое, в насыщение кольцо не уйдет. Что ожидать на вторичной обмотке, 0.01В или 100В?

Ферритовое кольцо может быть удобнее чем обычный транформатор, мелкое, в отверстие как-раз проходит толстый провод, кольцо можно расколоть и склеить поверх провода, не отключая потребителей и т.п. Ну и обычный транформатор тока при плохом контакте с нагрузочном резистором вообще может загореться, ферритовый из-за более слабого поля внутри себя не загорится точно.

Друг Кота

Карма: 230
Рейтинг сообщений: 11311
Зарегистрирован: Чт авг 30, 2012 20:24:40
Сообщений: 37654
Откуда: Нижний Новгород
Рейтинг сообщения: 0

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой!

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

Это не хвост, это антенна

Карма: 17
Рейтинг сообщений: 20
Зарегистрирован: Чт апр 04, 2013 22:22:57
Сообщений: 1311
Откуда: Белгород, РФ
Рейтинг сообщения: 0

Думаю вся сложность будет в замороченной связи сопротивления нагрузки и напряжения, одно напряжение без нагрузки, другое с резистором 1000 ом, третье с резистором 10 ом, какое лучше и хотелось бы узнать Есть вариант вообще без феррита, 10 витков провода вокруг провода с током, тоже непонятно что ловить на выходе и согласовывать, связь то еще слабее.

Точное измерение тока делается чуть сложнее, датчик холла в зазоре кольца, кольцо как усилитель поля в одну точку, а с балансной катушкой что поле в ноль балансирует вообще точность достигается идеальная и любые токи меряются и постоянные и переменные. Но это сложнее, кольца пилить нужно ))

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Друг Кота

Карма: 230
Рейтинг сообщений: 11311
Зарегистрирован: Чт авг 30, 2012 20:24:40
Сообщений: 37654
Откуда: Нижний Новгород
Рейтинг сообщения: 0

Построение источников бесперебойного питания с двойным преобразованием, широко используемых в современных хранилищах данных, на базе карбид-кремниевых MOSFETs производства Wolfspeed позволяет уменьшить мощность потерь в них до 40%, а также значительно снизить занимаемый ими объем и стоимость комплектующих.

Говорящий с текстолитом

Зарегистрирован: Чт авг 06, 2009 20:34:52
Сообщений: 1627
Откуда: Новосибирск
Рейтинг сообщения: 1

Компэл объявляет о значительном расширении складского ассортимента продукции Connfly. Универсальные коммутирующие компоненты, соединители и держатели Connfly сочетают соответствие стандарту ISO9001:2008, высокую доступность и простоту использования. На текущий момент на складе Компэл – более 300 востребованных на рынке товарных наименований с гибкой ценовой политикой.

Это не хвост, это антенна

Карма: 17
Рейтинг сообщений: 20
Зарегистрирован: Чт апр 04, 2013 22:22:57
Сообщений: 1311
Откуда: Белгород, РФ
Рейтинг сообщения: 0

Что-то ненаглядные формулы, надо бы в эксель какой или программу вычислятор )) 300В нам не нужно, если трансформатор тока эквивалентен трансформатору напряжения на 0.01В, тогда и число витков сокращается до 10 в первичке и 100 на вторичке. Как я понял из за того что феррит более «хилый» чем железо, витков мотают в 100 раз больше.

Если феррит одеваем поверх провода с током 15 ампер, Ф=1*15=15 чего-то там и далее непонятно )))

Скорее всего всё будет примерно тоже самое, на катушку мотаем 1000 витков, 15 ампер в первичке превращаем в 15 мА во вторичке, нагружаем на резистов в 100 ом и подаем на АЦП какой-нибудь, где замеряем 1.5В, цепь потребляет 22 мВт.

или мотаем на вторичке 100 витков, ток 150 мА, резистор 10 ом, на АЦП подаем те же 1.5В, но мощность уже 220 мВт, не поплохеет ли ферриту? а так второй вариант проще, потому что меньше провода мотать.

Говорящий с текстолитом

Зарегистрирован: Чт авг 06, 2009 20:34:52
Сообщений: 1627
Откуда: Новосибирск
Рейтинг сообщения: 1

Вложения:
Form.PNG [9.64 KiB]
Скачиваний: 10282
Вернуться наверх

Это не хвост, это антенна

Карма: 17
Рейтинг сообщений: 20
Зарегистрирован: Чт апр 04, 2013 22:22:57
Сообщений: 1311
Откуда: Белгород, РФ
Рейтинг сообщения: 0

Ну это опять всё для трансформатора напряжения. Там в формуле есть переменная L, она у феррита низкая, поэтому и трансформатор напряжения из феррита никакой. С трансформатором тока всё и проще и сложнее. Чую тут всплывет ограничение на передаваемую мощность через феррит, из-за его слабой магнитной проницаемости, мощность на 50Гц будет настолько маленькая что не хватит для измерительного прибора (АЦП или вольтметр-гальванометр), они просто ноль покажут и всё.

Вот схему нарисовал, трансформатор тока идеальный с умеренным коэффициентом преобразования, 1:10 например. «Проблемы» имитирует R1, который равен 0.01 ома у ТТ на основе железа, на глазок 1 КОм для феррита и 1 МОм для воздуха. Соответственно нагрузка должна быть сравнима по сопротивлению с R1, иначе напряжение упадет в ноль, R2

И формула по расчету R1 будет что-то вроде R1=K/(магнитная проницаемость сердечника), где К подгоняем или считаем по хитрым формулам.

Чтобы не терять напряжение, которое и так маленькое, хотелось бы отказаться от R2 вообще. Что получим? Изменение тока даст изменение магнитного поля, и изменение напряжения. В итоге на выходе будет не аналог тока в обмотке, а его производная. Получили измеритель производной тока Для чистой синусоиды сойдет, а для реального тока в электросети, вряд ли, особенно когда есть импульсные блоки питания в нагрузке. Вместо прямоугольных импульсов потребления тока получим импульсы короткие. Хотя программно можно легко восстановить и форму тока, интегрируя его. А вот напрямую на вольтметр уже не отдать.

И тут всплывает новая проблема, при R3 не равной нулю, это сопротивление измерительного прибора, будет искажение измерения, к производной тока добавится вляние самого тока, потребуется буфер какой-то с мегаомным сопротивлением.

Открытым остается вопрос, вот при токе в первичке например 10 ампер, какого порядка наведётся во вторичной обмотке из 100 витков? кроме как практического эксперимента? Думаю будет что-то вроде 1 мВ на виток. что маловато конечно, более 100 витков мотать нетехнологично уже.

Вложения:
zzzzzzz.png [5.27 KiB]
Скачиваний: 1302
Вернуться наверх

Говорящий с текстолитом

Зарегистрирован: Чт авг 06, 2009 20:34:52
Сообщений: 1627
Откуда: Новосибирск
Рейтинг сообщения: 3

Если её решить, то можно рассчитать всё (ну, с точностью до потерь и тп).
Если есть возможность и желание — попробуйте. Я тоже на досуге порешаю.

Кстати, для трансформатора напряжения формулы выглядят так:

Вложения:
Form2.PNG [7.22 KiB]
Скачиваний: 9419
Form1.PNG [5.68 KiB]
Скачиваний: 9402
Вернуться наверх
Это не хвост, это антенна

Карма: 17
Рейтинг сообщений: 20
Зарегистрирован: Чт апр 04, 2013 22:22:57
Сообщений: 1311
Откуда: Белгород, РФ
Рейтинг сообщения: 0

1. Я не представляю L обмотки вообще, даже порядок величины, формулы интересные но не практичные
2. Насыщения не будет, магнитное поле даже на 1/1000 к насыщению не подойдет, при 1 витке токовом. Для сравнения в блоке питания ПК токи в сотни ампер и десятки витков вокруг того же феррита.

Думаю всё таки общими усилиями велосипед успешно изобретен, ферритом можно измерять переменный НЧ ток с некоторыми особенностями которые надо учесть программно — проинтегрировать результат измерения. Не нужно разрезать провод, ставить шунт и т.п.
———-
Под вопросом измерение тока без феррита вообще, намотав на измеряемый провод несколько витков (или несколько сотен витков) провода что уловит магнитное поле. Решение еще универсальней и проще. Особенно когда в щитке каком-нибудь шины в руку толщиной и нежелательно отключать нагрузку. Думаю напряжение будет такое мелкое, что его нужно будет повысить трансформатором (трансформатор напряжения), с 0.001В(?) до 1В хотябы. Нарисовал картинку, вроде должно работать, но какие напряжения будут на выходе сказать сложно. И согласующий трансформатор тоже непонятно какой нужен, хотябы порядок величин количества обмоток, 1 виток в первичке и 1000 на вторичке?

Вложения:
zzz2.png [2.92 KiB]
Скачиваний: 1098
Вернуться наверх
Говорящий с текстолитом

Зарегистрирован: Чт авг 06, 2009 20:34:52
Сообщений: 1627
Откуда: Новосибирск
Рейтинг сообщения: 0

Вложения:
Form3.PNG [5.72 KiB]
Скачиваний: 9383
Вернуться наверх

Друг Кота

Карма: 28
Рейтинг сообщений: 568
Зарегистрирован: Чт май 05, 2011 21:26:34
Сообщений: 4552
Откуда: Украина, Славутич
Рейтинг сообщения: 1

Феррит в качестве сердечника ТТ не берут по другой причине — слишком мала у него магнитная проницаемость, что заставляет мотать больше витков для работы на низких частотах. А больше витков, особенно первички, это больше витков во вторичке и больше активное сопротивление обмоток — больше потери и т.д.

Феррит удобно использовать в ТТ основанных на эффекте Холла. тогда первичка составляет 0.5-1 витков, а вторичка рассчитывается исходя из компенсации магнитного поля первичной обмотки. При этом суммарный магнитный поток в сердечнике равен нулю. При этом свойства феррита играют только наруку — компенсирующее поле подстраивается под первичную обмотку быстрее чем в случае с железом.

Говорящий с текстолитом

Зарегистрирован: Чт авг 06, 2009 20:34:52
Сообщений: 1627
Откуда: Новосибирск
Рейтинг сообщения: 0

300.
Тогда получаем число витков во вторичке N2=333 витка. В первичке возьмём 1 виток.

Если мы возьмём нагрузочный резистор 1 кОм, то максимальной ток во вторичке — 1 мА (1 кОм*1 мА=1 В), что соответствует току в первичке 333 мА.
Если мы возьмём нагрузочный резистор 100 Ом, то максимальной ток во вторичке — 10 мА (100 Ом*10 мА=1 В), что соответствует току в первичке 3,33 А.
Если мы возьмём нагрузочный резистор 10 Ом, то максимальной ток во вторичке — 100 мА (10 Ом*100 мА=1 В), что соответствует току в первичке 33,3 А.
Если мы возьмём нагрузочный резистор 1 Ом, то максимальной ток во вторичке — 1000 мА (1 Ом*1000 мА=1 В), что соответствует току в первичке 333 А.
Ну и тд.

Вложения:
Form4.PNG [2.45 KiB]
Скачиваний: 9667
Вернуться наверх

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 11

Источник

Читайте также:  Диагностика силового трансформатора составление дефектной ведомости
Оцените статью
Adblock
detector