Импульсный блок питания

Что такое мощность

Мощность — физическая величина, характеризующая энергию, отданную или полученную объектом в единицу времени. Соответственно, мощность бывает выделяемая (выходная) и поглощаемая (потребляемая). Мощность, как и энергия, бывает различных видов (механическая, электрическая, тепловая, акустическая, электромагнитная, волновая и т. п.), которые, в свою очередь, связаны с природой этой энергии. Отношение выделяемой в ходе преобразования энергии мощности к потребляемой называется коэффициентом полезного действия (КПД), который характеризует эффективность этого преобразования. Как известно из школьного курса физики, мощность P для схемы постоянного тока прямо пропорциональна напряжению U и силе тока I в участке цепи:P = I * U Эту формулу можно использовать как для расчета мощности, потребляемой устройством, так и для расчета выходной мощности БП, а также для рассеиваемой тепловой мощности. Соответственно, тепловая мощность, выделяемая на элементе схемы блока питания (нагрев элемента), будет прямо пропорциональна силе тока, проходящего через все потребители. Наверное, не надо объяснять, что суммарная мощность всех комплектующих должна быть меньше максимальной выходной мощности источника питания. Необходимо также отметить, что система потребляет мощность неравномерно. Пики мощности приходится на включение ПК или отдельного устройства, задействование сервоприводов, увеличение вычислительной нагрузки на системуи т. д. Производители часто указывают для устройств с большим энергопотреблением значения пиковой мощности. Таким образом, грубо прикинуть максимальную потребляемую мощность нагрузки можно просто сложив мощности всех устройств, подключенных к БП:P = p (1) + p (2) + p (3) + … + p (i)

Назначение и действие импульсного трансформатора

Импульсные трансформаторы применяются в системах связи и различных автоматических устройствах. Их основной функцией является внесение изменений в амплитуду и полярность импульсов. Основным условием нормальной работы этих устройств считается минимальное искажение передаваемых ими сигналов.

Принцип действия импульсного трансформатора заключается в следующем: при поступлении на его вход прямоугольных импульсов напряжения с определенным значением, в первичной обмотке происходит постепенное возникновение электрического тока и дальнейшее увеличение его силы. Подобное состояние, в свою очередь, приводит к изменению магнитного поля во вторичной обмотке и появлению электродвижущей силы. В этом случае сигнал практически не искажается, а небольшие потери тока ни на что не влияют.

При выходе трансформатора на проектную мощность, обязательно появляется отрицательная часть импульса. Его воздействие вполне возможно сделать минимальным, путем установки во вторичную обмотку простого диода. В результате, в этом месте импульс также максимально приблизится к прямоугольной конфигурации.

Главным отличием импульсного трансформатора от других аналогичных технических систем считается его исключительно ненасыщенный режим работы. Для изготовления магнитопровода применяется специальный сплав, обеспечивающий высокую пропускную способность магнитного поля.

Расчет автотрансформатора своими руками

Ведь не всегда найдётся, например, готовый сетевой трансформатор. Более актуальным этот вопрос становится, когда нужен анодно-накальный или выходной трансформатор для лампового усилителя. Здесь остаётся лишь запастись проволокой и подобрать хорошие сердечники. Достать нужный магнитопровод порой оказывается непросто и приходится выбирать из того, что есть. Для быстрого расчёта габаритной мощности был написан приведённый здесь онлайн калькулятор.

Трансформаторы представляют собой электромагнитные приборы, предусматривающие две или более индукционно-связных обмоток и служащие для определения значения переменного тока напряжения. В состав устройства входит магнитный сердечник с размещенными на нем обмотками.

Как рассчитать мощность трансформатора

Чаще всего необходимость расчета мощности трансформатора возникает при работе со сварочной аппаратурой, особенно когда технические характеристики заранее неизвестны.

Мощность трансформатора тесно связана с силой тока и напряжением, при которых аппаратура будет нормально функционировать. Самым простым вариантом расчета мощности будет умножение значения напряжения на величину силы тока, потребляемого устройством. Однако на практике не все так просто, прежде всего из-за различия в типах устройств и применяемых в них сердечников. В качестве примера рекомендуется рассматривать Ш-образные сердечники, получившие наиболее широкое распространение, благодаря своей доступности и сравнительно невысокой стоимости.

Как намотать импульсный трансформатор?

Вначале нужно подготовить ферритовое кольцо.

Для того чтобы провод не прорезал изоляционную прокладку, да и не повредился сам, желательно притупить острые кромки ферритового сердечника. Но, делать это не обязательно, особенно если провод тонкий или используется надёжная прокладка. Правда, я почему-то всегда это делаю.

При помощи наждачной бумаги скругляем наружные острые грани.

То же самое проделываем и с внутренними гранями кольца.

Чтобы предотвратить пробой между первичной обмоткой и сердечником, на кольцо следует намотать изоляционную прокладку.

В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, лавсановую плёнку или даже бумагу.

При намотке крупных колец с использованием провода толще 1-2мм удобно использовать киперную ленту.

Иногда, при изготовлении самодельных импульсных трансформаторов, радиолюбители используют фторопластовую ленту – ФУМ, которая применяется в сантехнике.

Работать этой лентой удобно, но фторопласты обладают холодной текучестью, а давление провода в области острых краёв кольца может быть значительным.

Во всяком случае, если Вы собираетесь использовать ленту ФУМ, то проложите по краю кольца полоску электрокартона или обычной бумаги.

При намотке прокладки на кольца небольших размеров очень удобно использовать монтажный крючок.

Монтажный крючок можно изготовить из куска стальной проволоки или велосипедной спицы.

Аккуратно наматываем изолирующую ленту на кольцо так, чтобы каждый очередной виток перехлёстывал предыдущий с наружной стороны кольца. Таким образом, изоляция снаружи кольца становится двухслойной, а внутри – четырёх-пятислойной.

Для намотки первичной обмотки нам понадобится челнок. Его можно легко изготовить из двух отрезков толстой медной проволоки.

Необходимую длину провода обмотки определить совсем просто. Достаточно измерить длину одного витка и перемножить это значение на необходимое количество витков. Небольшой припуск на выводы и погрешность вычисления тоже не помешает.

Пример

34(мм) * 120(витков) * 1,1(раз) = 4488(мм)

Если для обмотки используется провод тоньше, чем 0,1мм, то зачистка изоляции при помощи скальпеля может снизить надёжность трансформатора. Изоляцию такого провода лучше удалить при помощи паяльника и таблетки аспирина (ацетилсалициловой кислоты).

Будьте осторожны! При плавлении ацетилсалициловой кислоты выделяются ядовитые пары!

Если для какой-либо обмотки используется провод диаметром менее 0,5мм, то выводы лучше изготовить из многожильного провода. Припаиваем к началу первичной обмотки отрезок многожильного изолированного провода.

Изолируем место пайки небольшим отрезком электрокартона или обыкновенной бумаги толщиной 0,05… 0,1мм.

Наматываем начало обмотки так, чтобы надёжно закрепить место соединения.

Те же самые операции проделываем и с выводом конца обмотки, только на этот раз закрепляем место соединения х/б нитками. Чтобы натяжение нити не ослабло во время завязывания узла, крепим концы нити каплей расплавленной канифоли.

Если для обмотки используется провод толще 0,5мм, то выводы можно сделать этим же проводом. На концы нужно надеть отрезки полихлорвиниловой или другой трубки (кембрика).

Затем выводы вместе с трубкой нужно закрепить х/б нитью.

Поверх первичной обмотки наматываем два слоя лакоткани или другой изолирующей ленты. Это межобмоточная прокладка необходима для надёжной изоляции вторичных цепей блока питания от осветительной сети. Если используется провод диаметром более 1-го миллиметра, то неплохо в качестве прокладки использовать киперную ленту.

Если предполагается использовать выпрямитель с нулевой точкой, то можно намотать вторичную обмотку в два провода. Это обеспечит полную симметрию обмоток. Витки вторичных обмоток также должны быть равномерно распределены по периметру сердечника. Особенно это касается наиболее мощных в плане отбора мощности обмоток. Вторичные обмотки, отбирающие небольшую, по сравнению с общей, мощность, можно мотать как попало.

Если под рукой не оказалось провода достаточного сечения, то можно намотать обмотку несколькими проводами, соединёнными параллельно.

На картинке вторичная обмотка, намотанная в четыре провода.

Вернуться наверх к меню.

Как выбрать ферритовый кольцевой сердечник?

Выбрать примерный размер ферритового кольца можно при помощи калькулятора для расчета импульсных трансформаторов и справочника по ферритовым магнитопроводам. И то и другое Вы можете найти в «Дополнительных материалах».

Вводим в форму калькулятора данные предполагаемого магнитопровода и данные, полученные в предыдущем параграфе, чтобы определить габаритную мощность срдечника.

Не стоит выбирать габариты кольца впритык к максимальной мощности нагрузки. Маленькие кольца мотать не так удобно, да и витков придётся мотать намного больше.

Если свободного места в корпусе будущей конструкции достаточно, то можно выбрать кольцо с заведомо бо’льшей габаритной мощностью.

В моём распоряжении оказалось кольцо М2000НМ типоразмера К28х16х9мм. Я внёс входные данные в форму калькулятора и получил габаритную мощность 87 Ватт. Этого с лихвой хватит для моего 50-ти Ваттного источника питания.

Запустите программу. Выберете «Pacчёт тpaнcфopмaтopa пoлумocтoвoго пpeoбpaзoвaтeля c зaдaющим гeнepaтopoм».

Чтобы калькулятор не «ругался», заполните нолями окошки, неиспользуемые для расчёта вторичных обмоток.

Вернуться наверх к меню.

Как рассчитать силовой трансформатор по формулам за 5 этапов

Привожу упрощенную методику, которой пользуюсь уже несколько десятков лет для создания и проверки самодельных трансформаторных устройств из железа неизвестной марки по мощности нагрузки.

По ней мне практически всегда получалось намотать схему с первой попытки. Очень редко приходилось добавлять или уменьшать некоторое количество витков.

В основу расчета положено среднее соотношение коэффициента полезного действия ŋ, как отношение электрической мощности S2, преобразованной во вторичной обмотке к приложенной полной S1 в первичной.

Потери мощности во вторичной обмотке оценивают по статистической таблице.

Мощность трансформатора, ватты Коэффициент полезного действия ŋ
15÷50 0,50÷0,80
50÷150 0,80÷0,90
150÷300 0,90÷0,93
300÷1000 0,93÷0,95
>1000 0.95÷0,98

Электрическая мощность устройства определяется произведением номинального тока, протекающего по первичной обмотке в амперах, на напряжение бытовой проводки в вольтах.

Она преобразуется в магнитную энергию, протекающую по сердечнику, полноценно распределяясь в нем в зависимости от формы распределения потоков:

  1. для кольцевой фигуры из П-образных пластин площадь поперечного сечения под катушкой магнитопровода рассчитывается как Qc=√S1;
  2. у сердечника из Ш-образных пластин Qc=0,7√S1.

Этап №2. Особенности вычисления коэффициента трансформации и токов внутри обмоток

Силовой трансформатор создается для преобразования электрической энергии одной величины напряжения в другое, например, U1=220 вольт на входе и U2=24 V — на выходе.

Коэффициент трансформации в приведенном примере записывается как выражение 220/24 или дробь с первичной величиной напряжения в числителе, а вторичной — знаменателе. Он же позволяет определить соотношение числа витков между обмотками.

На первом этапе мы уже определили электрические мощности каждой обмотки. По ним и величине напряжения необходимо рассчитать силу электрического тока I=S/U внутри любой катушки.

Этап №3. Как вычислить диаметры медного провода для каждой обмотки

При определении поперечного сечения проводника катушки используется эмпирическое выражение, учитывающее, что плотность тока лежит в пределах 1,8÷3 ампера на квадратный миллиметр.

Величину тока в амперах для каждой обмотки мы определили на предыдущем шаге.

Теперь просто извлекаем из нее квадратный корень и умножаем на коэффициент 0,8. Полученное число записываем в миллиметрах. Это расчетный диаметр провода для катушки.

Он подобран с учетом выделения допустимого тепла из-за протекающего по нему тока. Если место в окне сердечника позволяет, то диаметр можно немного увеличить. Тогда эти обмотки будут лучше приспособлены к тепловым нагрузкам.

Когда даже при плотной намотке все витки провода не вмещаются в окне магнитопровода, то его поперечное сечение допустимо чуть уменьшить. Но, такой трансформатор следует использовать для кратковременной работы и последующего охлаждения.

Вычисление основано на использовании магнитных свойств железа сердечника. Промышленные трансформаторы собираются из разных сортов электротехнической стали, подбираемые под конкретные условия работы. Они рассчитываются по сложным, индивидуальным алгоритмам.

Домашнему мастеру достаются магнитопроводы неизвестной марки, определить электротехнические характеристики которой ему практически не реально. Поэтому формулы учитывают усредненные параметры, которые не сложно откорректировать при наладке.

Для расчета вводится эмпирический коэффициент ω’. Он учитывает величину напряжения в вольтах, которое наводится в одном витке катушки и связан с поперечным сечением магнитопровода Qc (см кв).

В первичной обмотке число витков вычислим, как W1= ω’∙U1, а во вторичной — W2= ω’∙U2.

Этап №5. Учет свободного места внутри окна магнитопровода

На этом шаге требуется прикинуть: войдут ли все обмотки в свободное пространство окна сердечника с учетом габаритов катушки.

Для этого допускаем, что провод имеет сечение не круглое, а квадрата со стороной одного диаметра. Тогда при совершенно идеальной плотной укладке он займет площадь, равную произведению единичного сечения на количество витков.

Увеличиваем эту площадь процентов на 30, ибо так идеально намотать витки не получится. Это будет место внутри полостей катушки, а она еще займет определенное пространство.

Далее сравниваем полученные площади для катушек каждой обмотки с окном магнитопровода и делаем выводы.

Второй способ оценки — мотать витки «на удачу». Им можно пользоваться, если новая конструкция перематывается проводом со старых рабочих катушек на том же сердечнике.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику. Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор. Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

  • напряжение первичной и вторичной обмотки;
  • габаритны сердечника;
  • толщину пластины.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

  • U1 — напряжение первичной обмотке, В.
  • S — площадь сердечника, см².
  • K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

  • d — диаметр провода, мм.
  • I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т. е. поместится ли обмотка на каркас. Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Особенности автотрансформатора

Автотрансформаторы рассчитываются аналогично простым трансформаторам, только сердечник определяется не на всю мощность, а на мощность разницы напряжений.

Например, мощность магнитопровода 250 Вт, на входе 220 вольт, на выходе требуется получить 240 вольт. Разница напряжений составляет 20 В, при мощности 250 Вт ток будет равен 12,5 А. Такое значение тока соответствует мощности 12,5*240=3000 Вт. Потребление сетевого тока составляет 12,5+250/220=13,64А, что как раз и соответствует 3000Вт=220В*13,64А. Трансформатор имеет одну обмотку на 240 В с отводом на 220 В, который подключён к сети. Участок между отводом и выходом мотается проводом, рассчитанным на 12,5А.

Трансформатор тороидального типа

Тороидальные трансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами: меньший размер, меньший вес и при этом большее КПД. При этом они легко наматываются и перематываются. Использование онлайн-калькулятора для расчёта тороидального трансформатора позволяет не только сократить время изготовления изделия, но и «на лету» поэкспериментировать с разными вводными данными. В качестве таких данных используются:

  • напряжение входной обмотки, В;
  • напряжение выходной обмотки, В;
  • ток выходной обмотки, А;
  • наружный диаметр тора, мм;
  • внутренний диаметр тора, мм;
  • высота тора, мм.

Необходимо отметить, что почти все онлайн-программы не демонстрируют особой точности в случае расчёта импульсных трансформаторов. Для получения высокой точности можно воспользоваться специально разработанными программами, например, Lite-CalcIT, или рассчитать вручную. Для самостоятельного расчёта используются следующие формулы:

  1. Мощность выходной обмотки: P2=I2*U2, Вт.
  2. Габаритная мощность: Pg=P2/Q, Вт. Где Q — коэффициент, берущийся из справочника (0,76−0,96).
  3. Фактическое сечение «железа» в месте размещения катушки: Sch= ((D-d)*h)/2, мм2.
  4. Расчётное сечение «железа» в месте расположения катушки: Sw =√Pq/1.2, мм2
  5. Площадь окна тора: Sfh=d*s* π/4, мм2.
  6. Значение рабочего тока входной обмотки: I1=P2/(U1*Q*cosφ), А, где cosφ справочная величина (от 0,85 до 0,94).
  7. Сечение провода находится отдельно для каждой обмотки из выражения: Sp = I/J, мм2., где J- плотность тока, берущаяся из справочника (от 3 до 5).
  8. Число витков в обмотках рассчитывается отдельно для каждой катушки: Wn=45*Un*(1-Y/100)/Bm* Sch шт., где Y — табличное значение, которое зависит от суммарной мощности выходных обмоток.
  9. Остается найти выходную мощность и расчёт тороидального силового трансформатора считается выполненным. Pout = Bm*J*Kok*Kct* Sch* Sfh /0,901, где: Bm — магнитная индукция, Kok — коэффициент заполнения проводом, Kct —коэффициент заполнения железом.

Читать также: Самодельный отвал для мотоблока нева

Все значения коэффициентов берутся из справочника радиоаппаратуры (РЭА). Таким образом, проводить вычисления в ручном режиме несложно, но потребуется аккуратность и доступ к справочным данным, поэтому гораздо проще использовать онлайн-сервисы.

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 Рн.

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

Необходимые для вычисления параметры:

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

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина UI определяется выражением:

UI=U/2-Uэ ( U – питающее преобразователь напряжение; Uэ— 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.

Импульсные трансформаторы (ИТ) являются востребованным прибором в хозяйственной деятельности. Часто устанавливают в блоки питания бытовой, компьютерной, специальной техники. Импульсный трансформатор своими руками создают мастера с минимальным опытом работы в области радиотехники. Что это за устройство, а также принцип работы будут рассмотрены далее.

Методика расчета импульсного трансформатора

Еще со школьной скамьи любой человек помнит, что эффективность преобразования зависит от количества витков на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а сама работа устройства основана на явлении индуктивности. Но не совсем ясно, как учесть количество витков, соотнести первичную и вторичную обмотку с выбранным типом трансформатора, а так же учесть неизбежные потери напряжения.

Отмечу, что импульсный трансформатор можно считать простейшим представителем устройств. При этом в заводском варианте выпускают следующие типы подобных устройств:

  1. Стержневой.
  2. Броневой.
  3. Тороидальный.
  4. Бронестержневой.

Сразу скажу, что в статье речь пойдет именно о расчете тороидального трансформатора, поскольку именно этот вид устройства прост в изготовлении и расчете. Теоретически дома можно изготовить и стержневое устройство, но для него требуется обустройство катушки. К этому процессу предъявляются повышенные требования в плане аккуратности выполнения работ. Поэтому проще не замахиваться на изготовление заводской продукции в кустарных условиях, тем более что и тороидальные модели прекрасно работают.

Остальные же варианты трансформаторов и вовсе изготовить в условиях домашней мастерской невозможно. Если говорить о расчете, то в качестве исходных данных вам потребуется:

  • Напряжение на входе. Его можно просто замерить в сети, хотя чаще всего этот параметр равен 220В.
  • Параметры тока на выходе. Сюда в обязательном порядке относят напряжение и силу тока в сети после преобразователя.

Все остальное рассчитывается.

Вручную

Конечной целью расчета считается определение параметров на первичной и вторичной обмотке. Проблемой является необходимость определения трех параметров, которые простому человеку найти довольно сложно. В силу этой причины в СССР была разработана табличная методика расчета.

P W1 W2 S η
Меньше 10 Вт 41/S 38/S 0,8
Меньше 30 Вт 36/S 32/S 0,9
Меньше 50 Вт 33/S 29/S 0,92
Меньше 120 Вт 32/S 28/S 0,95

Стоит просто идти по строке, расчет строится на результатах проведенных в лабораториях опытов. То есть все формулы – чистая практика.

При помощи специального ПО

Существуют различные программы для обработки данных и расчета трансформатора. Сюда входит множество онлайн и оффлайн приложений. В отдельности стоит выделить программу ExcellentIT 8.1. Это бесплатное программное обеспечение от одного из постоянных обитателей форумов об электросиловых установка.

После запуска программы перед вами появится несколько окон с пустыми полями вводных данных. После их заполнения нажимается кнопка «Ок» и компьютер делает все за вас. Результаты вычислений ПО и ручного расчета примерно одинаковы, так как именно на основании табличной методики разработаны практически коды компьютерного обеспечения для расчета трансформаторов.