Что такое импульсный трансформатор и как его рассчитать

Что такое импульсный трансформатор и как его рассчитать?

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.

  • 1 Область применения
    • 1.1 Видео: Как работает импульсный трансформатор?
  • 2 Требования к приборам
  • 3 Принцип работы
  • 4 Разновидности
  • 5 Преимущества
  • 6 Разновидности материалов
  • 7 Расчет
    • 7.1 Интересное видео: Импульсный трансформатор своими руками

При этом следует учитывать, что Uэфф = U1 / 1,41 = 0,707U1, так как Uэфф это действующее значение напряжения, а U1 максимальное значение напряжения.

5. Расчет диаметра провода в первичной обмотке:

где I1 — эффективное значение тока в первичной обмотке , A ; j — плотность тока, А/мм2;

Плотность тока зависит от мощности трансформатора, 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/мм².

Для справки в таблице приведены данные плотности тока в зависимости от мощности трансформатора

Pн, Вт 1 .. 7 8 .. 15 16 .. 40 41 .. 100 101 .. 200
j, А/мм 2 7 .. 12 6 .. 8 5 .. 6 4 .. 5 4 .. 4,5

6. Эффективное значение тока вторичной обмотки (I2), кол-во витков во вторичной обмотке (W2) и диаметр провода во вторичной обмотке (d2) рассчитывается по следующим формулам:

При этом следует учитывать, что Uэфф = U1 / 1,41 = 0,707U1, так как Uэфф это действующее значение напряжения, а U1 максимальное значение напряжения.

5. Расчет диаметра провода в первичной обмотке:

где I1 — эффективное значение тока в первичной обмотке , A ; j — плотность тока, А/мм2;

Плотность тока зависит от мощности трансформатора, 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/мм².

Для справки в таблице приведены данные плотности тока в зависимости от мощности трансформатора

Pн, Вт 1 .. 7 8 .. 15 16 .. 40 41 .. 100 101 .. 200
j, А/мм 2 7 .. 12 6 .. 8 5 .. 6 4 .. 5 4 .. 4,5

6. Эффективное значение тока вторичной обмотки (I2), кол-во витков во вторичной обмотке (W2) и диаметр провода во вторичной обмотке (d2) рассчитывается по следующим формулам:

Разновидности

В зависимости от конструктивных особенностей различают следующие разновидности импульсных трансформаторов:

  • стержневые;
  • броневые;
  • тороидальные, с намоткой провода на изолированный сердечник, не предполагающие применения катушек;
  • бронестержневые.

Виды магнитопроводов

Поперечное сечение сердечника в большинстве устройств выполняется в форме круга или прямоугольника, по аналогии с силовыми аппаратами.

Основные характеристики устройств нанесены на корпус, поэтому из условного обозначения можно почерпнуть информацию об главных параметрах оборудования.

Одна из лучших программ для расчёта импульсных трансформаторов двухтактных мостовых, полумостовых и push-pull преобразователей источников питания. Изготовив трансформатор точно по результатам расчёта, при верных исходных данных, можно не опасаться, что трансформатор импульсного источника питания будет не оптимален. Расчёт импульсных трансформаторов достаточно точен, и его результат можно принять за эталон, например, при сравнении с данными других аналогичных программ.

Автором были созданы новые методики вычислений, самая простая из которых для программ ныне устаревшей серии «Transformer» приведена в статье «Москатов Евгений. Методика и программа расчёта импульсного трансформатора двухтактного преобразователя. — Радио, №6, 2006, с. 35 — 37». В ней изложены пояснения по работе с программой и основные расчётные формулы. В справке по программе даны сведения о параметрах распространённых ферритов и пояснения по типовым вопросам. Упрощённая методика расчёта программы «Design tools pulse transformers 4.0.0.0» представлена в статье «Москатов Е. Расчёт импульсного трансформатора двухтактного преобразователя с учётом потерь на поверхностные эффекты. — Радиолюбитель, 2009, №10, с. 28, 29, №11, с. 24 — 27».

Прежде программа «Design tools pulse transformers» имела название «Transformer», которое было изменено в силу наличия значительного числа программ, обладающих таким же названием. Статус лицензии — donationware (класс freeware), то есть программу можно использовать свободно, и оплата не обязательна. Все представленные для скачивания материалы выполнены на русском языке.

Формулы определения параметров магнитопроводов для использования совместно с программой «Transformer». Рассмотрен тороидальный магнитопровод, Ш-образный сердечник с круглым центральным стержнем, Ш-образный с квадратным и прямоугольным центральным стержнем, броневой магнитопровод (из двух чашек, горшкообразный) и П-образный магнитопровод. Расширение файла — PDF, размер — 101 Кбайт.

Относительно предыдущей версии исправлен недочёт: лишняя точка на рисунке. Улучшено изображение значка и некоторых других картинок. Программа была создана в лицензионном Borland C++Builder 6.0. Рисунок скриншота в справочной системе был более сильно сжат, что позволило на несколько килобайт уменьшить размер файла помощи.

Расширение архивированного файла — EXE, размер — 660 Кбайт.

Данная устаревшая программа продолжает быть выставлена на сайте только потому, что её использование значительно проще, чем более новой версии. Если Вы не знаете, как работать в «Design tools pulse transformers 4.0.0.8», то можете применять «Transformer 3.0.0.3».

Относительно предыдущей версии программа «с нуля» переписана в лицензионном Borland Developer Studio. Был полностью переработан алгоритм расчёта и кардинально переделан интерфейс. Теперь учтены скважность импульсов и число жил в проводах обмоток, что чрезвычайно важно для высокочастотных устройств с ШИМ и осуществлено вычисление мощности потерь на омическое сопротивление в обмотках, на гистерезис в магнитопроводе, на поверхностный эффект. Программа проводит вычисление эффективной напряжённости поля в магнитопроводе трансформатора, находит индуктивности и число витков обмоток трансформатора, эффективные напряжения и токи обмоток, длины проводов и число слоёв обмоток. Кроме того, программа определяет возможность размещения проводов и изоляций обмоток в окно магнитопровода и вычисляет коэффициент заполнения этого окна. Определять параметры магнитопроводов трансформаторов «вручную» перед использованием программы теперь не нужно — достаточно вписать размеры магнитопровода в поля ввода и программа осуществит расчёт. Расширение запакованного файла — EXE, размер — 834 Кбайт.

Файл справки по программе «Design tools pulse transformers 4.0.0.8». Его можно распечатать. Расширение файла — PDF, размер — 246 Кбайт.

История некоторых основных версий программы «Design tools pulse transformers». Расширение файла — TXT, размер — 3,8 Кбайт.

Рекомендуемые требования к оборудованию

Компьютер с процессором семейств Intel® Pentium® / Celeron® или совместимым с ними процессором, тактовая частота которого составляет не менее 200 МГц, или более мощным.

Оперативная память: 32 Мбайт.

Свободное место на диске: 2 Мбайт.

Видеоплата и монитор с разрешением не менее 800 × 600 точек.

Клавиатура, мышь или другое указательное устройство.

Читайте также  Маркировка сип

Рекомендуемые требования к системному программному обеспечению

Операционная система Microsoft Windows© 98 Second Edition, Microsoft Windows© Millennium, Windows© 2000 Professional, Windows© XP Home Edition, Windows© XP Professional, Windows© 2003 Server, Windows© Vista Starter, Windows© Vista Home Basic, Windows© Vista Home Premium, Windows© Vista Business, Windows© Vista Enterprise, Windows© Vista Ultimate.

Так как программа имеет русскоязычный интерфейс, операционная система должна обеспечивать необходимую языковую поддержку.

Скриншот программы «Design tools pulse transformers 4.0.0.8»

Расчет импульсного трансформатора

Программа «Rectifier 1.0» предназначена для расчета мостового выпрямителя по заданным пользователем параметрам. Программа не только расчитывает необходимые для конструирования выпрямителя характеристики, но также предлагает пользователю варианты выпрямительных диодов и номинал конденсатора фильтра.
Для работы программы необходимо, чтобы с ней в одном каталоге (папке) находился файл «Diode_Base.diod», содержащий типы и характеристики выпрямительных диодов, иначе программа выдаст сообщение об ошибке и работать не будет.

Расчёты для микросхем:
* LM317 (LM150, LM350) регулятор напряжения

* LH317 (LM150, LM350) регулятор тока

* L200 регулятор тока и напряжения
* 78xx регулятор тока и напряжения

Программа для расчета магнитной проницаемости материала феритового сердечника распространенных типов.
Автор: Юрий Илитич.
Статья http://radio-hobby.org/

Программа рассчитывает длину порта фазоинвертора, а так же необходимый и минимально возможный диаметры.

GRAND v1.2 калькулятор

Программа для проведения электротехнических расчетов

Induct — программа для расчета различных катушек колебательного контура

Rectifier 1.0 — расчет мостового выпрямителя.

RadioAmCalc 1.20 Free Домашняя страничка автора

«Калькулятор Радиолюбителя» поможет провести расчеты при проектировании любительских радиоэлектронных устройств. Программа бесплатна и свободна для некоммерческого распространения.
С помощью Калькулятора можно:

  • рассчитать трансформатор при различных исходных данных
    (в большинстве программ невозможно, например, поменять магнитную проницаемость сердечника)
  • рассчитать однослойные и многослойные катушки индуктивности
  • определить сопротивление резистора по цветным полоскам
  • определить сопротивление SMD-резистора
  • определить емкость конденсатора по цветным полоскам
  • рассчитать пассивный LC и RC фильтры нижних и верхних частот
  • провести электротехнические расчеты по формулам

Best RadioCalc v.1.2

Радиолюбительский калькулятор, позволяет быстро сделать большинство самих нужных радиолюбительских расчетов. Основные возможности программы: — все расчеты по закону Ома при минимуме двох известных значений (сила тока I, напряжение U, сопротивление R, мощность P); — подбор номиналов резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности (до 10-ти резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности в соединении) для параллельного и последовательного соединения. Вычисляет Rобщ (Собщ, Lобщ) на основе R1-R10 (С1-С10, L1-L10) или подбирает нужный R1 (С1, L1) для указанного Rобщ (Собщ, Lобщ) с учетом резисторов R2-R10 (или конденсаторов С2-С10, катушек индуктивности L2-L10) при необходимости для любого типа соединения как последовательного так и параллельного; — расчет времени работы аккумулятора и реверсивные расчеты любого из значений; — расчет коэффициента усиления и силы тока транзистора (реверсивные расчеты тока базы, тока коллектора, коэффициента усиления); — расчет емкостного сопротивления конденсатора в цепи переменного тока (реверсивные расчеты частоти тока, емкости конденсатора, емкостного сопротивления); — реверсивные расчеты индуктивного сопротивления, полного сопротивления и добротности катушки индуктивности в цепи переменного тока. Вычисления делаются автоматически при вводе номиналов с возможностью отключения автоматического расчета при вводе. Возможен переход в иной диапазон расчета. Имеется возможность сохранения всех значений в текстовый файл. При необходимости, возможно включить параметр «Поверх всех окон». В версии 1.2 добавилось несколько исправлений у улучшений в работе калькулятора, добавлена автокоррекция вывода результата при значениях меньше нуля, а также появилась возможность вручную изменять точность вывода результата методом округления до нужного разряда вплоть до 16 знаков в дробной части.

Поддерживается определение:
Резисторы
Конденсаторы
Транзисторы
Диоды
Стабилитроны
Варикапы
Индуктивности
Чип компоненты

Вывод характеристик:
программа обладает собственной базой данной по характеристикам, и после определения типа элемента (транзистор, диод . ) выводится его характеристика.

Справочник:
если же Вы знаете тип элемента, то можете вызывать справочник и переключаясь по базе элементов (транзистор, диод . ) найти интересующий Вас элемент и просмотреть его характеристики.

В дополнение — справочник может работать и в режиме вывода габаритных размеров корпусов (например ТО-220 . ) и в режиме вывода функциональных схем (база микросхем).

Справочная система:
программа снабжена собственной справочной системой, которая содержит описание программы, радиоэлементов, обучающие примеры и т.д.

Визуальный набор:
для облегчения определения типа/номинала элемента реализован визуальный набор, т.е. на образце рисуется/закрашивается необходимый знак/цвет.

Дополнительные возможности:
— программа снабжена сменными панелями инструментов (для каждого типа элемента остаются только его метки, что не загромождает интерфейс и позволяет быстро ориентироваться в программе)
— имеется модуль «Калькулятор» содержащий серию электротехнических расчетов;
— если вы разработчик воспользуйтесь модулем «Объединить базы»;

Программа бесплатна и свободна для использования и распространения. В последней версии Coil32 v7.1 доступны:

  • Расчет числа витков катушки при заданной индуктивности
  • Расчет индуктивности катушки для заданного числа витков
  • Расчет добротности для однослойных катушек
  • Расчет индуктивности многослойной катушки по ее омическому сопротивлению
  • Расчет длины провода, необходимого для намотки многослойной катушки
  • Расчет длины провода, необходимого для намотки катушки на ферритовом кольце

Источник http://coil32.narod.ru

Скачать >>>>>


Источник http://aes.at.ua

Анализатор антенн MMANA — русская версия

Одна из лучших программ для моделирования антенн. Это единственный анализатор антенн на русском языке. Оригинальная японская версия написана Makoto Mori JE3HHT в 2000 году. Русская версия и интерфейсы сделаны Игорем Гончаренко DL2KQ (он же EU1TT) в 2001-2002 годах.

Эквивалентные схемы

Трансформация фронта импульса с малыми искажениями достигается при малых значениях индуктивности рассеяния и распределенной ёмкости трансформатора, которые уменьшаются с уменьшением числа витков обмоток и сечения магнитопровода ИТ. В то же время для трансформации вершины импульса с малым спадом следует стремиться к увеличению индуктивности намагничивания трансформатора, возрастающей с увеличением числа витков и сечения магнитопровода.

Удовлетворение одновременно нескольким поставленным требованиям при расчёте ИТ потребует нахождения компромиссного решения. Оно должно быть принято в зависимости от значимости того или иного поставленного требования.

Расчеты ИТ производятся на основе приближённой эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами. Индуктивный эффект и потери в проводах обмоток можно учитывать с помощью известной Т-образной эквивалентной схемы.

L μ > — индуктивность намагничивания трансформатора, учитывающая запасание энергии в основном потоке взаимной индукции магнитопровода при приложении напряжения к первичной обмотке. С потоком в сердечнике связан ток намагничивания, протекающий по первичной обмотке;

L s 1 , L s 2 ,L_> — индуктивности рассеяния обмоток, учитывающие запасание энергии в потоках рассеяния, связанных с протеканием по обмоткам тока нагрузки;

R 1 , R 2 ,R_<2>> — активные сопротивления проводов обмоток, учитывающие потери при протекании по ним тока нагрузки;

R B > — эквивалентное сопротивление, учитывающие потери энергии в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи.

Наряду с запасанием энергии в магнитных полях, а также потерями в проводах обмоток в ИТ необходимо учитывать запасание энергии в электрических полях между обмоткой и магнитопроводом и между слоями обмоток. Учёт этой энергии производят введением трех ёмкостей, образующих П-образную структуру: C 1 > — ёмкость первичной обмотки, C 2 > — ёмкость вторичной обмотки, C 1 , 2 > — ёмкость между обмотками.

Получившаяся эквивалентная схема ИТ описывается уравнением высокого порядка, что затрудняет анализ в общем виде:

Однако без внесения заметной погрешности можно упростить схему, если иметь в виду следующее:

1. Намагничивающий ток составляет обычно небольшую часть тока нагрузки и поэтому можно пренебречь его влиянием на поток рассеяния. Это позволяет перейти от Т-образной схемы из индуктивных ветвей к Г-образной схеме.

2. Так как электрическая энергия пропорциональна квадрату напряжения, то основная её часть запасается в обмотке высшего напряжения. Поэтому П-образная схема ёмкостных элементов замещается одной эквивалентной ёмкостью, подключенной параллельно обмотке высшего напряжения.

3. Число витков обмоток ИТ мало и, следовательно, можно пренебречь при расчётах наиболее важных электрических характеристик сопротивлением обмоток, полагая R 1 = R 2 = 0 =R_<2>=0> . Сопротивление обмоток учитывается при определении потерь.

В результате указанных упрощений, фронт анализируется на основе эквивалентной схемы 2-го порядка с сосредоточенными индуктивностью и ёмкостью, определяемыми из энергетических соображений:

Она хотя и удобна для математического описания, но не отражает в полной мере процессы, происходящие при передаче импульса, так как при этом считается, что большая часть электрической энергии паразитной ёмкости запасается в обмотке высшего напряжения.

Между тем использование такой схемы недопустимо при соизмеримости приведенных ёмкостей обмоток, включающих в себя паразитные ёмкости нагрузки и генератора, так как нельзя отдать предпочтение ни одной из ёмкостей. Кроме того, при резком различии приведенных ёмкостей, когда, казалось бы, можно ограничиться одной из них, возможно формирование фронта с паразитными колебаниями, наложенными на самом фронте, а не на вершине. Такие колебания должны быть исключены, например, при импульсной модуляции мощных магнетронных генераторов. Но схема 2-го порядка не только не позволяет определить условия их появления, но даже исключает само их существование. В работах вышеупомянутых авторов такой вид искажения фронта прямоугольного импульса отсутствует. Поэтому надо как минимум учитывать разделение ёмкостей обмоток индуктивностью рассеяния. Следовательно, предпочтительнее рассматривать эквивалентную схему 3-го порядка, как это сделано в работе [5] :

Расчет силового трансформатора

Расчет силового трансформатора напрямую зависит от количества фаз в питающей сети, то есть однофазной или же трехфазной. Прежде всего в силовом трансформаторе основную роль играет его мощность. Упрощенный расчет трансформаторов малой мощности и большой можно выполнить и в домашних условиях. Расчёт потерь неизбежен, как и для любых электромагнитных устройств, здесь же он состоит из двух основных магнитных составляющих:

  1. вихревые токи;
  2. намагничивание.

Программы для расчёта компонентов

Дизайн-центр – это комплект программ для автоматизированного проектирования электромагнитных компонентов на основе магнитопроводов из аморфных и нанокристаллических сплавов.

Зачастую потребители имеют затруднения с применением магнитопроводов из современных магнитомягких сплавов. Материалы имеют свои особенности, практической литературы по их применению бывает недостаточно. Расчёт электромагнитных компонентов – это достаточно трудоёмкий процесс, предполагающий несколько итераций на пути к законченному проекту, так как это задача с несколькими взаимосвязанными переменными. Обычно в ручных расчётах применяют ряд упрощений с целью сокращения трудоёмкости перебора возможных вариантов. Найти оптимальное решение при этом довольно сложно.

В помощь нашим потребителям мы разработали ряд программ-калькуляторов и объединили в одну программу (сохранено архив «.7z» – если не открылось, то установите архиватор с офиц. сайта).

Программы имеют встроенную справку.

Для трансформаторов:

  • Calc_SMPS_Transformer – расчёт трансформатора двухтактного конвертера
  • ForwardMST – расчёт трансформатора форвард-конвертера
  • FlybackMSC – расчет трансформатора обратноходового конвертера

Для дросселей:

  • InductorMSC – расчёт выходных дросселей
  • MagAmp-MSS – расчёт дросселей магнитных усилителей
  • PFC-Inductor – расчет дросселя корректора коэффициента мощности
  • SpikeKiller – расчёт помехоподавляющих дросселей
  • CommonModeChoke-MSF – расчёт дросселей синфазных фильтров

Технические условия (выписка):

  • ​ магнитопроводы КВШУ.684459.089 ТУ (серия MSCN)
  • ​ магнитопроводы КВШУ.684459.090 ТУ (серия MSTN )
  • ​ магнитопроводы КВШУ.684459.091 ТУ (серия MSTAN)
  • ​ магнитопроводы КВШУ.684459.092 ТУ (серия MSF)
  • ​ магнитопроводы КВШУ.684459.093 ТУ (серия MSFN)

​ ​ Особенности и порядок работы с программами
​ ​ Пример разработки импульсного источника с использованием программ-калькуляторов

Программы позволяют сократить время, упростить и уточнить проектирование. Пользователь выбирает серию магнитопроводов, задаёт исходные данные и нажимает кнопку автовыбора. Программа выбирает подходящий магнитопровод (с точки зрения минимального размера и цены) и выполняет проектирование компонента. Программа просчитывает большое количество вариантов и останавливается на лучшем. Однако на практике критерии оптимизации для каждого конкретного пользователя могут быть различны. Для одного это цена, для другого габарит, для третьего минимальные потери, для четвертого широкий температурный диапазон, для пятого конструктивное удобство намотки, применение имеющегося магнитопровода и проводов и т.п.

Для решения этих проблем в большинстве программ есть группа «Оптимизация». Здесь, изменяя в небольших пределах данные, полученные в результате автоматического проектирования, пользователь может оптимизировать и уточнить проект применительно к индивидуальным конкретным требованиям.

В базе данных всех программ использованы данные отечественного провода марки ПЭТ-155. Для других марок могут быть незначительные отличия. Расчёт сопротивления обмотки выполняется для отечественных проводов. Для импортных проводов (AWG) фактические значения сопротивления обмотки могут быть существенно выше. При оценке габаритов моточных изделий и длины проводов обмоток использован приближённый алгоритм, разработанный на основе экспериментальных данных. Реальные значения зависят от навыка конкретного работника, которому поручено изготовление компонента и могут существенно отличаться от расчётных.

Этапы развития программ

10.11.13 г. Выполнено обновление программ-калькуляторов. Уточнена база данных программ, добавлена новая серия MST для форвард конвертера и двухтактного конвертера, добавлена серия MSB в базу для многовитковых помехоподавляющих дросселей, исправлены замеченные ошибки.

26.12.16 г. Выполнено обновление базы данных программ форвард-конвертера и двухтактного конвертера с расширением диапазона частот (от 5 кГц до 1 МГц).

31.10.19 г. Обновлена программа для расчёта выходных дросселей. Поддерживаются 4 серии магнитопроводов: MSC, MSC-G (из АМАГ 200С), APH, MSCN-TH. Пользователь может сравнить варианты реализации проекта на разных сериях и выбрать оптимальный вариант. Расширен диапазон частот: от 10 кГц до 1 МГц.

12.05.20 г. Комплексное обновление программ:

1. Добавлены программы для расчета дросселя корректора коэффициента мощности и трансформатора обратноходового конвертера. Всего 8 программ.

2. Расширено количество используемых серий магнитопроводов. Добавлены новые серии ленточных магнитопроводов: MSCN, MSC-NGA, MSC-NGN и порошковых магнитопроводов АРМ, АРН с различной проницаемостью. Всего 22 серии магнитопроводов.

3. Откорректирована база данных в соответствии с измененными ТУ.

4. Создана общая программа — оболочка Дизайн центра.

5. Исправлены замеченные ошибки программ.

6. Расширен частотный диапазон.

7. Создана англоязычная версия Дизайн-Центра, в которой предусмотрено применение проводов AWG.