213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор трансформатора

Характеристики трансформатора

В идеальном трансформаторе ток в первичной обмотке не может течь, если цепь вторичной обмотки разомкнута. В реальном же трансформаторе при разомкнутой цепи вторичной обмотки в первичной обмотке течёт небольшой ток холостого хода, вызванный наличием индуктивности намагничивания первичной обмотки и создающий магнитный поток, намагничивающий сердечник трансформатора, индуктивность намагничивания должна быть достаточно велика, чтобы ток холостого тока составлял лишь небольшую долю тока первичной обмотки при работе трансформатора на нагрузку. При передаче мощности идеальный трансформатор можно представить как параллельно включённые индуктивность намагничивания и резистор с очень малым сопротивлением. Ток в индуктивности намагничивания смещён по фазе относительно приложенного синусоидального напряжения на 90°, поэтому потребления активной мощности индуктивностью намагничивания не происходит. Ещё одним свойством реального трансформатора является то, что магнитный поток сердечника неравномерно пронизывает различные витки обеих обмоток. Этот разбаланс создаёт в первичной и во вторичной обмотках индуктивность рассеяния.

Выбор материала сердечника напрямую влияет на индуктивность намагничивания. Идеальный сердечник обладал бы бесконечной магнитной проницаемостью и давал бы бесконечную индуктивность намагничивания. Таких сердечников, конечно, не бывает, поэтому мы выбираем сердечник с самой большой магнитной проницаемостью и наименьшими потерями на требуемой частоте. При выборе материала для трансформатора можно воспользоваться Рис. 8.7. Сердечники из порошкового железа обладают низкой проницаемостью, поэтому для трансформаторов они не годятся. В трансформаторах импульсных источников питания практически применяются только ферритовые сердечники.

Вопрос о том, должен ли сердечник идеального трансформатора иметь бесконечно большую магнитную проницаемость, на первый взгляд кажется спорным. Ведь в таком случае будет достаточно очень маленького переменного тока, чтобы немедленно насытить сердечник. Для дросселя так оно и есть. Однако, с учётом того что вторичная обмотка создаёт магнитное поле, равное и противоположное полю первичной обмотки, идеальный трансформатор может передавать бесконечную мощность без насыщения сердечника. В реальном трансформаторе ограничения на величину передаваемой мощности накладывают индуктивность намагничивания (насыщение) и потери в сердечнике из-за переменной индукции (нагрев).

На Рис. 9.1 изображена эквивалентная схема реального трансформатора.

Эквивалентная схема реального трансформатораРис. 9.1. Эквивалентная схема реального трансформатора

СР — ёмкость первичной обмотки; RP — сопротивление первичной обмотки; LP — индуктивность рассеяния первичной обмотки; RL — эквивалентное сопротивление потерь в сердечнике; LM — индуктивность намагничивания; CPS — междуобмоточная ёмкость; RS — сопротивление вторичной обмотки; LS — индуктивность рассеяния вторичной обмотки; CS — ёмкость вторичной обмотки.

Индуктивность рассеяния первичной и вторичной обмоток и индуктивность намагничивания создают проблемы, связанные с тем, что нужно обеспечивать путь току дросселя при запирании ключа или ключей (осуществлять так называемый сброс магнитной индукции в сердечнике). Ёмкости каждой из обмоток образуют с индуктивностями рассеяния резонансные цепи. Эти резонансные цепи генерируют шумы при отпирании и запирании ключа. Правильно спроектированный трансформатор имеет почти нулевые индуктивности рассеяния и очень большую индуктивность намагничивания.

Вследствие того что в трансформаторе имеется паразитная ёмкость между первичной и вторичной обмотками, переменное напряжение, присутствующее в цепи нагрузки (например, высокочастотный шум от компьютера), может проникнуть в цепь первичного источника питания. Для того чтобы этого не происходило, вокруг первичной обмотки помещается заземлённый «экран Фарадея», который в простейшем варианте представляет собой полоску медной фольги. Фольга полностью окружает первичную обмотку, но её концы разъединены, чтобы не получился замкнутый виток. При этом создаются конденсаторы между обеими обмотками и землёй, но они не влияют на работу трансформатора. В экране Фарадея нет необходимости, если обеспечена соответствующая фильтрация электромагнитных помех. Эффективность экрана Фарадея падает с ростом частоты, так как индуктивность заземления начинает существенно влиять на работу трансформатора.

Закон Фарадея гласит, что напряжение на обмотке трансформатора равно числу витков, умноженному на изменение магнитного потока:

E = N x dФ / dt.  (9.1)

Если мы выполним перестановку и преобразуем это уравнение для случая прямоугольного переменного сигнала, то получим:

B = E / (4 x ƒ x N),   (9.2)

где Е — пиковое напряжение, ƒ — частота, N — число витков первичной обмотки, В — пиковая переменная магнитная индукция.

Нас интересует пиковая переменная магнитная индукция, поскольку она связана с потерями в сердечнике и с насыщением сердечника. С ростом переменного напряжения на первичной обмотке переменная магнитная индукция также возрастает. Повышение магнитной индукции связано с ростом намагничивающего тока. Намагничивающий ток мы должны ограничивать так, чтобы магнитная индукция была ниже излома кривой намагничивания во избежание насыщения. Намагничивающий ток снижается с повышением индуктивности намагничивания. В уравнении (9.2) это выражено тем, что в знаменателе стоит число витков (N): чем больше витков в первичной обмотке, тем выше индуктивность намагничивания. К счастью, в знаменателе этого уравнения присутствует также частота, поэтому мы можем снижать пиковую переменную индукцию ещё и за счёт повышения частоты. И наоборот, повышение частоты позволяет уменьшить число витков при неизменной величине магнитной индукции. Благодаря этому можно значительно снижать габариты трансформатора путём увеличения частоты коммутации.

213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225