Расчет трансформатора обратноходового преобразователя

Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Преимущества, недостатки, применение. Принцип работы. Примеры схем

Как работает обратноходовый стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по разработке и расчету. Преобразование постоянного напряжения (10+)

Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения. Расчет. Примеры схем — Принцип действия

‘);

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Обратноходовый преобразователь напряжения является развитием идеи инвертирующей топологии.

В нем используется тот эффект, что в катушке индуктивности накапливается энергия. Если приложить напряжение к катушке индуктивности, то сила тока через катушку будет возрастать, магнитное поле усиливаться, энергия накапливаться. Однако отдавать энергию дроссель может через другую обмотку, если он (дроссель) имеет несколько обмоток. Изображенное на схеме устройство L4, L5 правильнее называть именно дросселем с несколькими обмотками, а не трансформатором.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база.

Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Подробнее о дросселях.

Когда ключ замкнут, происходит накопление энергии в магнитом поле катушки индуктивности. Ток идет по контуру S1. В это время нагрузка питается напряжением, сформированным на выходном конденсаторе C2.

Когда ключ размыкается, ток начинает течь по контуру S2. При этом ток течет уже по другой обмотке, а сила тока получается такой, чтобы индукция (интенсивность магнитного поля) осталась такой же, какая она была при протекании тока S1. То есть сила тока S2 будет равна силе тока S1, поделенной на коэффициент трансформации. Ток S2 заряжает выходной конденсатор C2.

Блок управления D1 меняет время, в течение которого ключ остается открытым в зависимости от напряжения на конденсаторе C2. То есть микросхема D1 осуществляет широтно-импульсную модуляцию.

Конденсатор C1 нужен для того, чтобы уменьшить пульсации тока во входной цепи, отбирать из нее не импульсный, а средний ток.

Проектирование обратноходового преобразователя

Разберем процесс проектирования и расчета обратноходового преобразователя. В конце статьи мы разместили форму, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов.


Схема 1


Схема 2

Если нам необходима гальваническая развязка выходной и входной цепей, то в цепи обратной связи по напряжению применяется оптрон. Если же такая развязка не требуется, то минусовую шину выходной цепи соединяют с общим проводом входной, оптрон исключают, а резистор R9 соединяют непосредственно с R11.

Ключевым недостатком оптронов является большой разброс их параметров. Коэффициент передачи тока у них даже в рамках одной партии может быть от 0.3 до 10. Но в рассматриваемой топологии это не так критично, как в прямоходовой, так как здесь применяется другая схема коррекции. Разброс параметров оптрона можно компенсировать подбором резистора R9 без пересчета всех других элементов схемы. Схема рассчитывается исходя из коэффициента передачи тока оптрона, равного 1, а потом подбирается R9.

В чем причина применения именно такой схемы коррекции цепи обратной связи, а также подробное обоснование формул для расчета Вы узнаете из специальной статьи, которая готовится к публикации. Подпишитесь на новости, если эта тема Вам интересна.

В качестве ШИМ — контроллера мы используем любимую микросхему 1156ЕУ3.

В наших схемах в качестве силового ключа используются мощный биполярный транзистор или мощный полевой транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора и полевого транзистора в качестве силового ключа. Также на схемах показано два подхода к ограничению тока: считывающий резистор и токовый трансформатор. Считывающий резистор показан на схеме с полевым транзистором, а токовый трансформатор — на схеме с биполярным. Однако применять можно и наоборот, считывающий резистор с биполярным, а токовый трансформатор с полевым транзистором.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.

(1) Можно ли рассчитать обратноходовый преобразователь, у которого на выходе будет мостовой выпрямитель на 250 В, а также умножитель на 4 или 3 с выходным напряжением 700 В (ток около 5-7 мА) — для питания ЭЛТ осциллографа? Точнее — для 250 В выпрямитель на одном диоде, а 700 В на умножителе. (2) А почему Вы ничего не говорите про демпфирующую цепь, включаемую параллельно Читать ответ…

Еще статьи

Импульсный источник питания. Своими руками. Самодельный. Сделать. Лабо…
Схема импульсного блока питания. Расчет на разные напряжения и токи….

Прямоходовый однотактный импульсный преобразователь напряжения, источн…
Как сконструировать прямоходовый импульсный преобразователь. В каких ситуациях о…

Повышающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко…
Как сконструировать повышающий импульсный преобразователь. Как выбрать частоту р…

Прямоходовый однотактный импульсный источник питания. Онлайн расчет. Ф…
Как рассчитать прямоходовый импульсный преобразователь напряжения…

Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Пр…
Понижение напряжения постоянного тока. Как работает понижающий преобразователь н…

Пушпульный импульсный преобразователь напряжения. Выбор ключа — биполя…
Как сконструировать пуш-пульный импульсный источник питания. Как выбрать мощные …

Резонансный инвертор, преобразователь напряжения повышающий. Схема, ко…
Инвертор 12/24 в 300. Резонансная схема….

Изготовление дросселя, катушки индуктивности своими руками, самому, са…
Расчет и изготовление катушки индуктивности, дросселя. Типовые электронные схемы…

Как выбрать инвертор?

Существует две группы инверторов, которые различаются по стоимости.

Первая группа более дорогих инверторов обеспечивает синусоидальное выходное напряжение.

Вторая группа обеспечивает выходное напряжение в виде упрощенного сигнала — квази-синуса, заменяющего синусоиду. Для подавляющего большинства бытовых приборов можно использовать упрощенный сигнал. Синусоида важна только для некоторых телекоммуникационных приборов.

Выбор инвертора производится исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В/50Гц.

Существует два режима работы инвертора. Первый режим – это режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора. Второй режим – это режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течение нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,5 раза больше, чем номинальная. В течение нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность в 2,5-3,5 раза большую, чем номинальная. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника. Как правило, мощность инвертора примерно равна расчетной мощности ВЭУ.

Как рассчитать мощность инвертора?

Параметр мощности инвертора будет зависеть от потребляемой мощности приборов и длительности автономной работы. Если будут использоваться только осветительные приборы и телевизор, то можно обойтись инвертором 500-1000 Вт.

В других случаях надо посчитать суммарную мощность приборов, которые Вы хотите подключить к инвертору.Потребляемая мощность обычно указана на самом приборе или в руководстве по эксплуатации. Рекомендуется использовать инвертор, мощность которого на 20-30% больше рассчитанной Вами мощности. Таблица примерных мощностей.

Допустим, что нужная Вам мощность составляет 500 Вт/ч, а длительность автономной работы 10 часов.

Расчет мощности: 500Вт/ч*10ч*1,2 = 6000Вт

Для пересчета в Вольт-Амперы используется коэффициент 0.6: 6000*0,6=3600ВА Теоретический расчет должен быть скорректирован с учетом таких факторов как возраст АКБ, постоянство высоких нагрузок, температура окружающей среды и т.п.

Мост

Полумост

Сигналы на входах по отношению к общему проводу:

Работает следующим образом:
когда транзистор T1 открыт, ток течёт через первичную обмотку трансформатора (L1) заряжая конденсатор C2, затем он закрывается и открывается T2, соответственно теперь ток течёт через L1 в обратном направлении, разряжая C2 и заряжая C1.
Недостатки:
Напряжение подводимое к первичной обмотке трансформатора в два раза ниже напряжения +ПИТ.
Приемущества:
Отсутствие выбросов удвоенного напряжения свойственных пуш-пулу.
Применение:
Преобразователи, питающиеся от бытовой осветительной сети, сетевые блоки питания (например: блоки питания компьютеров).

Сигналы на входах по отношению к общему проводу:

Работает следующим образом:
когда транзисторы T1 и T4 открыты, ток течёт через первичную обмотку трансформатора в одном направлении, затем они закрываются и открываются T2 и T3 ток через первичную обмотку начинает течь в обратном направлении.
Недостатки:
Необходимость установки четырёх мощных транзисторов.
Удвоенное падение напряжения на транзисторах (падения напряжения на смежных T1 T4/ T2 T3 транзисторах складываются).
Приемущества:
Полное напряжение питания на первичной обмотке.
Отсутствие выбросов удвоенного напряжения свойственных пуш-пулу.
Применение:
Мощные преобразователи, питающиеся от бытовой осветительной сети, сетевые блоки питания (например: импульсные сварочные «трансформаторы»).

Общими проблемами для преобразователей на трансформаторах являются те же проблемы что и преобразователей на базе накопительных дросселей: насыщение сердечника; сопротивление провода из которого выполнены обмотки; работа транзисторов в линейном режиме.

Обратноходовой и прямоходовой импульсный преобразователь напряжения — это «гибриды» преобразователя на базе накопительного дросселя и трансформатора, хотя в сути своей это преобразователь на базе накопительного дросселя и об этом никогда не стоит забывать.
Принцип работы такого преобразователя схож с повышающим преобразователем на накопительном дросселе, с той лишь разницей, что нагрузка включена не непосредственно к дросселю, а к ещё одной обмотке, намотанной на сам дроссель.
Как и в повышающем преобразователе, в случае включения его без нагрузки, его выходное напряжение будет стремиться к максимуму.
Недостатки:
Выбросы напряжения на ключевом транзисторе создающие необходимость применения ключевых транзисторов на напряжение значительно превышающее +ПИТ.
Высокое напряжение на выходе в отсутствии нагрузки.
Преимущества:
Гальваническая развязка цепи питания и цепи нагрузки.
Отсутствие потерь связанных с перемагничиванием сердечника (магнитное поле течёт в сердечнике всегда в одну сторону).

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)
208 (d=0,25мм)
152 (d=0,25мм)
51,9
30,9
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)
78 (d=0,35мм)
122 (d=0,35мм)
185 (d=0,35мм)
15,9
24,8
32,8
100 R 28×16×9 2000НМ (136 Вт)
R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт)
93 (d=0,5мм)
139 (d=0,5мм)
17,0
19,3
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)
47 (d=0,7мм)
52 (d=0,7мм)
62 (d=0,7мм)
61 (d=0,7мм)
49 (d=0,7мм)
102 (d=0,7мм)
8,7
7,8
8,9
8,3
6,7
13,2
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)
42 (d=1,0мм)
51 (d=1,0мм)
61 (d=1,0мм)
5,2
6,6
7,6
800 R 40×25×22 2000НМ (998 Вт)
R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)
R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт)
31 (d=1,6мм)
37 (d=1,6мм)
25 (d=1,6мм)
3.9
4,1
2,8
1500 R 50,0×30,0×20,0 №87 (1907 Вт)
R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)
21 (d=2×1,5мм)
18 (d=2×1,5мм)
2,0
1,5

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.

Добавить комментарий

Закрыть меню