Как узнать мощность тороидального трансформатора по габаритам

Как узнать мощность тороидального трансформатора по габаритам

Возникла необходимость в мощном блоке питания. В моём случае имеются два магнитопровода броневой-ленточный и тороидальный. Броневой тип: ШЛ32х50(72х18). Тороидальный тип: ОЛ70/110-60.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ для расчёта трансформатора с тороидальным магнитопроводом:

• напряжение первичной обмотки, U1 = 220 В;
• напряжение вторичной обмотки, U2 = 36 В;
• ток вторичной обмотки, l2 = 4 А;
• внешний диаметр сердечника, D = 110 мм;
• внутренний диаметр сердечника, d = 68 мм;
• высота сердечника, h = 60 мм.

Расчет трансформатора с магнитопроводом типа ШЛ32х50(72х18) показал, что выдать напряжение 36 вольт с силой тока 4 ампера сам сердечник в состоянии, но намотать вторичную обмотку возможно не получится, из-за недостаточной площади окна. Приступаем к расчёту трансформатора с магнитопроводом типа ОЛ70/110-60.

Программный (он-лайн) расчет, позволит налету экспериментировать с параметрами и сократить время на разработку. Также можно рассчитать и по формулам, они приведены ниже. Описание вводимых и расчётных полей программы: поле светло-голубого цвета – исходные данные для расчёта, поле жёлтого цвета – данные выбранные автоматически из таблиц, в случае установки флажка для корректировки этих значений, поле меняет цвет на светло-голубой и позволяет вводить собственные значения, поле зелёного цвета – рассчитанное значение.

Формулы и таблицы для ручного расчет трансформатора:

1. Мощность вторичной обмотки;

2. Габаритная мощность трансформатора;

3. Фактическое сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;

4. Расчётное сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;

5. Фактическая площадь сечения окна сердечника;

6. Величина номинального тока первичной обмотки;

7. Расчёт сечения провода для каждой из обмоток (для I1 и I2);

Тороидальный трансформатор и его расчет

Для того чтобы значительно облегчить расчет тороидального трансформатора вам необходимо знать следующие данные:

1. Выходное напряжение, которое будет подаваться на первичную обмотку U.
2. Диаметр сердечника внешний D.
3. Внутренний диаметр сердечника d.
4. Магнитопровод

Площадь поперечного сечения S будет определять мощность трансформатора. Оптимальным значением на сегодняшний день считается 45-50 см. Рассчитать это значение достаточно просто и сделать это можно с помощью формулы:

Наиболее важной характеристикой сердечника считается площадь его окна S. Этот параметр будет определять интенсивность отвода избытков тепла. Оптимальное значение этого параметра может составлять 80-100 см. Вычисляется он по формуле:

Читать также: Как рассчитать сечение проводника

Благодаря этим значениям вы легко рассчитаете его мощность по формуле:

P = 1,9 * Sc * S, где Sc и S необходимо брать в квадратных сантиметрах, а P получится в ваттах. Затем вам потребуется найти число витков на один вольт:

Когда значение k вам станет известным, то можно будет рассчитать количество витков во вторичной обмотке:

Производить расчеты лучше, если в качестве исходного значения использовать напряжение на вторичной обмотке:

W1 = (U1 * w2) / U2, где U1 – это напряжение, которое подводят к первичной обмотке, а U2 снимаемое со вторичной.

Сварочный ток проще всего регулировать с помощью изменения числа витков в первичной обмотке, так как здесь существует меньшое напряжение.

Как узнать мощность тороидального трансформатора по габаритам

В настоящее время наиболее распространены магнитопроводы следующих типов:

Кое-где еще можно встретить Ш-образные плаcтинчатые сердечники, расчет таких трансформаторов аналогичен расчету Ш-образного ленточного.

Тороидальный трансформатор может использоваться при мощностях от 30 до 1000 Вт, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объема является первостепенным. Имея некоторые преимущества в объеме и массе перед другими типами конструкций трансформаторов, тороидальные являются вместе с тем и наименее технологичными (удобными) в изготовлении.

Как уточнить число витков первичной обмотки?

Зная число витков первичной обмотки n

вычислим ее индуктивность. Для тороида она определяется по формуле:

L = μ 0 μ S с n 2 / l a

(5)

Где площадь S с

дана в м 2 , средняя длина магнитной линии
l a
в м, индуктивность в Гн,
μ 0 = 4π ⋅ 10 -7
Гн/м — магнитная постоянная.

В инженерном варианте эта формула выглядит так:

L = A L n 2

(5А) ,
n = (L / A L) 1/2
(5Б)

Коэффициент A L

и параметр мощности
S о S c
для некоторых типов колец приведены в Таблице 2 :

Для работы трансформатора в качестве согласующего устройства должно выполняться условие:

L > (4 .. 10) R / (2 π f min)

(6)

Где L

— индуктивность в Гн,
R = U 2 эфф / P н
приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки Ом,
f min
— минимальная частота Гц.

В ключевых преобразователях в первичной обмотке текут два тока, прямоугольный ток нагрузки I пр = U m / R

и треугольный ток намагничивания $$ I_T= {1 \over L} \int_0^{T/2} U_1 dt = { T \over 2L }U_m $$

Для нормальной работы величина треугольной составляющей не должна превышать 10% от прямоугольной, т.е.

L > 5 R / f (7)

При необходимости число витков увеличивают или применяют феррит с большей μ

. Чрезмерно завышать число витков в обмотке не желательно. Из-за роста межвитковой емкости на рабочей частоте могут возникнуть резонансные колебания. Выбранный феррит должен иметь достаточную максимальную индукцию и малые потери в рабочей полосе частот. Как правило, на низких частотах (до 1 МГц) применяют феррит с
μ
= 1000 .. 6000 , а на радиочастотах приходиться использовать
μ
= 50 .. 400.

Пример 2:

Трансформатор из Примера 1 намотан на кольце К28х16х9 из никель-марганцевого феррита 2000НМ с магнитной проницаемостью μ

= 2000. Мощность нагрузки P = 40 Вт, эффективное напряжение первичной обмотки Uэфф = 100 В, частота f = 30 кГц. Уточним число его витков.

Приведенное сопротивление нагрузки: R = 100 2 / 40 = 250 Ом

Площадь поперечного сечения магнитопровода:
Sc = 0,54 см 2 = 0,54 ⋅ 10 -4 м 2
Средняя длина магнитной линии:
la = π (D +d) / 2 = π (2,8+1,6) ⋅10 -2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 -2 м
Коэффициент индуктивности:
A L = 4 π 10 -7 2000 0,54 10 -4 / 6,9 10 -2 = 1963 нГн / вит 2
Минимальная индуктивность первичной обмотки: L = 10 ⋅ 250 / (2π ⋅ 3 ⋅ 10 4) = 13,3 мГн

Число витков:
n = (13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6) 1/2 = 82
Оно даже меньше, чем рассчитанное ранее
n min = 87.
Таким образом, условие достаточной индуктивности выполнено и число витков в обмотке n = 87.

Принцип работы

Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Схема: подключение импульсного трансформатора

Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е (t) , временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала t u , после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t u).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ p =L 0 /R н

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В max – В r

• В max – уровень максимального значения индукции;
• В r –остаточный.

Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U 2 , в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i u).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t u остается неизменным, его значение е t =U m . Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

при этом:

• Ψ – параметр потокосцепления;
• S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.

Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром t u , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на t u . В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

U m x t u =S x W 1 x ∆В

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:

• L 0 – перепад индукции;
• µ а – магнитная проницаемость сердечника;
• W 1 – число витков первичной обмотки;
• S – площадь сечения сердечника;
• l cр – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
• В r – величина остаточной индукции;
• В max – уровень максимального значения индукции.
• H m – Напряженность магнитного поля (максимальная).

Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µ а, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра В r , отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику. Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор. Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

• напряжение первичной и вторичной обмотки;
• габаритны сердечника;
• толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

1. Рассчитывается ток нагрузки: In=Po/U2, А.
2. Вычисляется величина тока вторичной обмотки: I2 = 1,5*In, А.
3. Определяется мощность вторичной обмотки: P2 = U2*I2, Вт.
4. Находится общая мощность устройства: Pт = 1,25*P2, Вт.
5. Вычисляется сила тока первичной обмотки: I1 = Pт/U1, А.
6. Находится необходимое сечение магнитопровода: S = 1,3*√ Pт, см².

Следует отметить, что если конструируется устройство с несколькими выводами во вторичной обмотке, то в четвёртом пункте все мощности суммируются, и их результат подставляется вместо P2.

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

• U1 — напряжение первичной обмотке, В.
• S — площадь сердечника, см².
• K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

• d — диаметр провода, мм.
• I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т. е. поместится ли обмотка на каркас. Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Особенности автотрансформатора

Автотрансформаторы рассчитываются аналогично простым трансформаторам, только сердечник определяется не на всю мощность, а на мощность разницы напряжений.

Например, мощность магнитопровода 250 Вт, на входе 220 вольт, на выходе требуется получить 240 вольт. Разница напряжений составляет 20 В, при мощности 250 Вт ток будет равен 12,5 А. Такое значение тока соответствует мощности 12,5*240=3000 Вт. Потребление сетевого тока составляет 12,5+250/220=13,64А, что как раз и соответствует 3000Вт=220В*13,64А. Трансформатор имеет одну обмотку на 240 В с отводом на 220 В, который подключён к сети. Участок между отводом и выходом мотается проводом, рассчитанным на 12,5А.

Таким образом, автотрансформатор позволяет получить на выходе мощность значительно больше, чем трансформатор на таком же сердечнике при небольшом коэффициенте передачи.

Трансформатор тороидального типа

Тороидальные трансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами: меньший размер, меньший вес и при этом большее КПД. При этом они легко наматываются и перематываются. Использование онлайн-калькулятора для расчёта тороидального трансформатора позволяет не только сократить время изготовления изделия, но и «на лету» поэкспериментировать с разными вводными данными. В качестве таких данных используются:

• напряжение входной обмотки, В;
• напряжение выходной обмотки, В;
• ток выходной обмотки, А;
• наружный диаметр тора, мм;
• внутренний диаметр тора, мм;
• высота тора, мм.

Необходимо отметить, что почти все онлайн-программы не демонстрируют особой точности в случае расчёта импульсных трансформаторов. Для получения высокой точности можно воспользоваться специально разработанными программами, например, Lite-CalcIT, или рассчитать вручную. Для самостоятельного расчёта используются следующие формулы:

1. Мощность выходной обмотки: P2=I2*U2, Вт.
2. Габаритная мощность: Pg=P2/Q, Вт. Где Q — коэффициент, берущийся из справочника (0,76−0,96).
3. Фактическое сечение «железа» в месте размещения катушки: Sch= ((D-d)*h)/2, мм2.
4. Расчётное сечение «железа» в месте расположения катушки: Sw =√Pq/1.2, мм2
5. Площадь окна тора: Sfh=d*s* π/4, мм2.
6. Значение рабочего тока входной обмотки: I1=P2/(U1*Q*cosφ), А, где cosφ справочная величина (от 0,85 до 0,94).
7. Сечение провода находится отдельно для каждой обмотки из выражения: Sp = I/J, мм2., где J- плотность тока, берущаяся из справочника (от 3 до 5).
8. Число витков в обмотках рассчитывается отдельно для каждой катушки: Wn=45*Un*(1-Y/100)/Bm* Sch шт., где Y — табличное значение, которое зависит от суммарной мощности выходных обмоток.
9. Остается найти выходную мощность и расчёт тороидального силового трансформатора считается выполненным. Pout = Bm*J*Kok*Kct* Sch* Sfh /0,901, где: Bm — магнитная индукция, Kok — коэффициент заполнения проводом, Kct —коэффициент заполнения железом.

Все значения коэффициентов берутся из справочника радиоаппаратуры (РЭА). Таким образом, проводить вычисления в ручном режиме несложно, но потребуется аккуратность и доступ к справочным данным, поэтому гораздо проще использовать онлайн-сервисы.