215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор трансформатора

Анализ практических конструкций

Требования безопасности исключают применение в импульсных источниках питания броневых и тороидальных сердечников, так как они не могут обеспечить необходимую длину пути тока утечки. Этим требованиям удовлетворяют все разновидности Ш-образных сердечников. К тому же Ш-образный сердечник лучше рассеивает тепло от обмоток в окружающую среду, так как большая область обмоток расположена открыто. Сердечники ЕС и ETD имеют преимущество при использовании в мощных трансформаторах благодаря закруглённому центральному плечу, что уменьшает длину каждого витка на 11% по сравнению с квадратным сечением Ш-образного сердечника. Благодаря этому снижаются потери в обмотках и паразитные ёмкости. Если имеются ограничения по физической высоте трансформатора, то сердечники EFD и ЕРС позволят использовать более короткие обмотки по сравнению с другими разновидностями Ш-образных сердечников.

Трансформаторы сетевых источников питания почти всегда имеют намного больше витков в первичной обмотке, чем во вторичных. Это обусловливает важность намотки первичной обмотки как можно ближе к сердечнику, чтобы уменьшить общую длину провода. Паразитная ёмкость обмотки пропорциональна площади поверхности каждого слоя, а внутренние слои имеют меньшую площадь поверхности. Мы можем также контролировать паразитную ёмкость, используя N-образную намотку вместо П-образной. В П-образной обмотке между концами слоев существует большая разность потенциалов. Чем больше приложенное к обмотке напряжение, тем больше будет ёмкостной ток. Каждый слой N-образной обмотки наматывается в одном и том же направлении. При этом разность потенциалов между всеми витками у соседних слоев будет одинаковой. Каждый слой каждой обмотки должен покрываться слоем изолирующей ленты, чтобы снизить ёмкость между соседними слоями. Рис. 9.3 иллюстрирует способы N- и П-образной намотки.

Способы N- и П-образной намоткиРис. 9.3. Способы N- и П-образной намотки

В трансформаторе мы должны обращать особое внимание на диаметр провода, поскольку неправильный его выбор может стать причиной значительных потерь. В дросселях для улучшения температурных характеристик провод обычно укладывается в один слой. В трансформаторах же для снижения нагрева провода желательно использовать плотность тока 200…300 А/см2. Фирмы-производители сердечников не скупятся на рекомендации по выбору соответствующей плотности тока в трансформаторах. С увеличением диаметра провода и повышением частоты возрастают потери на скин-эффект, которые могут стать сопоставимыми с потерями на объёмном сопротивлении. В промышленных трансформаторах для улучшения частотных характеристик применяются литцендрат, медная лента или медная полоска. С помощью уравнения 8.1 можно оценить частоту, при которой в проводе заданного диаметра начинает сказываться влияние скин-эффекта. Выше этой частоты сопротивление провода увеличивается в 3.2 раза на каждую частотную декаду1.

Фирма MWS Wire Industries производит линейку обмоточных проводов с квадратным сечением. Квадратная форма имеет преимущество в создании компактных отдельных слоев, которые превосходно укладываются. Однако близкое расположение плоских поверхностей несколько повышает ёмкость. Фирма МWS выпускает также провода в форме лент и полосок. Такие ленты имеют ширину до 2.5 мм, а полоски — 0.3…5 см. Скин-эффект значительно снижается, если проводник сплющить в тонкую полоску. Полосковые проводники применяются в низковольтных, сильноточных обмотках многих промышленных источников питания, например в обмотке 20 А / 5 В источника питания персонального компьютера. Такие обмотки состоят обычно всего лишь из 2…5 витков.

Для защитной изоляции обычно применяется полиэфирная лента. Лента толщиной 1 мил (0,0254 мм) обеспечивает изоляцию 5500 В и имеет максимальную температуру 130°С. Лента толщиной 2 мила  (0,0508 мм) обеспечивает изоляцию 7000 В. Если требуется более высокая температура, можно применить каптон (полиимидную ленту), имеющий предельную температуру 155°С и обеспечивающий изоляцию 7500 В. Медная полоска не имеет собственной изоляции, такой, как у обмоточного провода, поэтому она изолируется лентой в процессе намотки.

Рабочая температура зависит от площади поверхности: чем больше площадь поверхности обмотки трансформатора, тем лучше рассеивается тепло (меньше нагрев обмотки) при заданных потерях. Потери в сердечнике связаны с объёмом сердечника: чем больше объём, тем больше вырабатывается тепла при заданной магнитной индукции. Проблема состоит в том, что объём возрастает пропорционально кубу размера, а площадь поверхности — пропорционально квадрату размера. Интересно отметить, что наименьшие потери мощности в ферритах происходят при температурах выше 25°С, поэтому режим работы с повышенной температурой, как ни странно, увеличивает производительность.

Ограничивающим фактором для ферритов на частотах выше 20 кГц является нагрев из-за потерь в сердечнике. На частотах ниже 20 кГц ограничивающий фактор — магнитная индукция насыщения. Современный источник питания работает на частоте как минимум 20 кГц (чаще на частоте 100 кГц или выше). Если вы прочитаете старые статьи или руководства (тех времён, когда предельной для источника питания была рабочая частота 20 кГц) по выбору сердечника, то обратите внимание, что наибольшие мощности достигаются при использовании сердечников с двухполярным (переменным) управлением, как в мостовом преобразователе. В современных высокочастотных схемах это не так, потому что магнитная индукция насыщения уступила место ограничивающего фактора нагреву сердечника вследствие потерь на гистерезис. Переменное (двухполярное) управление позволяет работать без насыщения при значительно больших величинах магнитной индукции в трансформаторе, чем при однополярном управлении, но даже в схемах с однополярным управлением вряд ли будет достигнуто насыщение раньше, чем трансформатор начнёт плавиться вследствие перегрева сердечника. Но всё же рекомендуется удерживать магнитную индукцию на уровне ниже 2000 Гс, чтобы трансформатор работал в достаточно далёком от насыщения режиме.

Последний параметр, имеющий значение на практике, — физические габариты. Существует предел уменьшения габаритов сердечника, зависящий от количества провода, который должен быть намотан на бобине. Величина тока во вторичных обмотках определяет диаметр провода. Возможно, придётся выбрать сердечник больших габаритов, чтобы уместить на нём требуемое количество провода.

1 То есть пропорционально √ƒ.

215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227