216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор трансформатора

Выбор сердечника трансформатора прямоходового преобразователя

В качестве примера возьмём трансформатор, предназначенный для одноключевого прямоходового преобразователя, работающего на частоте 100 кГц, с соотношением витков 5.7:1, входным напряжением 310 В и суммарной мощностью 100 ватт (12.6 В при токе 8.0 А). Максимальная температура окружающей среды — 50°С, а предельно допустимая температура сердечника — 100°С. Фактически нам потребуются две одинаковые первичные обмотки (одна — силовая и одна — для сброса магнитной индукции в сердечнике) и одна вторичная обмотка.

Выберем сердечник фирмы Magnetics. Сначала заглянем в таблицу 4 в файле Design_Application_Notes.pdf, доступном на сайте фирмы Magnetics (www.mag-inc.com). В этой таблице указываются примерные допустимые мощности для большого числа сердечников. Физические габариты сердечников Е, ЕС, U и ETD по большей части стандартизированы, поэтому эта таблица окажется полезной при выборе сердечников от многих производителей. Конечно, другие производители, включая Ferroxcube, тоже имеют подобные таблицы. В таблице указано, что сердечник 43515 подходит для мощности 150 Вт при частоте 100 кГц. Этот сердечник имеет стандартный типоразмер Е375, имеющий те же размеры, что и стандартные стальные пластины E-1. Выбор такого типоразмера имеет преимущество в том, что можно будет применять сердечник другого производителя с той же самой бобиной. Далее посмотрим в справочных данных на ферритные материалы зависимость потерь мощности от температуры. Мощный трансформатор обычно значительно нагревается, поэтому нам нужен будет материал Type R или Туре Р. Температурные характеристики показывают, что материал Type R наверняка окажется лучше.

Начнём с трёхвитковой вторичной обмотки и посмотрим, будет ли наш трансформатор работать. Соответственно первичная обмотка будет содержать 3 х 5.7 = 17 витков. Мы округлили число витков первичной обмотки в меньшую сторону до ближайшего целого (лучше пусть вторичное напряжение будет немного больше заданного). Далее рассчитаем значение магнитной индукции:

В = E / (4 x A x N x ƒ x 10-8) = 155 / (4 х 0.840 х 17×100 кГц х 10-8) = 2713 Гс.   (9.3)

Обратите внимание, что значение напряжения Е — среднеквадратическое, поэтому для прямоугольного сигнала оно равно половине от пикового напряжения.

Полученное значение магнитной индукции слишком велико, поэтому нужно увеличить число витков. Удвоив число витков, мы наполовину снизим магнитную индукцию, поэтому попробуем использовать 34 витка в первичной и шесть витков во вторичной обмотке. Индукция 1350 Гс будет создавать в материале Type R потери 100 мВт/см3. В справочных данных указано, что потери будут немного снижаться с ростом температуры сердечника.

Данный сердечник имеет объём 5.83 см3, поэтому вследствие потерь будет выделяться 583 мВт тепла. Нагрев будет в пределах допустимого. Нагрев можно примерно рассчитать, допустив, что внешней среде открыт периметр и только одна сторона. По справочным данным рассчитываем, что эта площадь равна 16.6 см2. Вычисляем нагрев по формуле

ΔТ = (Мощность / Площадь)0.833 = (583 / 16.6)0.833 = 19°С.   (9.4)

Далее выбираем провод. Ток в первичной обмотке составляет всего лишь 350 мА, поэтому при плотности тока 300 А/см2 подойдёт провод № 28. Ток в сбрасывающей обмотке незначителен, но проще наматывать и первичную, и сбрасывающую обмотки одним и тем же проводом.

Для вторичной обмотки потребуется провод № 14 или № 12. Оба этих провода характеризует значительный уровень потерь из-за скин-эффекта. Скин-эффект начинается с 30 кГц для провода № 14 и с 19 кГц для провода № 12. Нам нужно использовать меньшую плотность тока в расчёте величины нагрева. Вместо применения одного сплошного обмоточного провода № 12 мы можем скрутить семь проводов № 22, получив приблизительно ту же площадь поперечного сечения, но с меньшим эффективным сопротивлением. Во вторичной обмотке можно также использовать полосковый проводник шириной 11.3 мм и толщиной 0.17 мм. В нашем примере допустим нагрев на 50°С, поэтому на нагрев, вызванный потерями в обмотке, остаётся запас в 30°С. Таким образом, мы свободно укладываемся в требуемый температурный интервал.

Анализ трансформатора для мостовой схемы почти полностью идентичен вышеприведённому анализу. Единственное отличие в том, что напряжение в уравнении магнитной индукции будет равно полному приложенному напряжению, потому что пиковое напряжение равно удвоенному значению напряжения в одном направлении. При расчёте трансформатора для двухтактной схемы мы используем напряжение питания и суммарное число витков двух половин первичной обмотки.

216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228