Характеристика и схемы автоматического переключения обмоток трансформатора в блоке питания

В состав любого измерительного комплекса, имеющегося в современной лаборатории или на рабочем месте радиолюбителя, обязательно входит недорогой и надежный блок питания (БП). Для того чтобы улучшить его эксплуатационные характеристики, специалисты советуют применить автоматическое переключение трансформаторных обмоток в блоке питания. Это существенно снижает паразитное рассеяние мощности в выходных каскадах и облегчает режим работы любого лабораторного источника тока.

Указанный подход особо востребован в тех случаях, когда в рабочих условиях востребован БП с диапазоном регулировки напряжения 50 Вольт, например, и с током нагрузки не менее 5 Ампер. Промышленные источники с такими заявленными характеристиками для рядового пользователя недоступны из-за своей высокой стоимости. Как раз это и вынуждает его применять принцип и схему автоматического переключения обмоток трансформатора в блоке питания.

Для чего используется система переключений обмоток трансформатора

При самостоятельном изготовлении блока питания с такими характеристиками исполнителю приходится решать целый ряд проблем, важнейшая из которых – обеспечение требуемой передаточной характеристики во всем спектре выходных напряжений. Рассмотрим пример, когда имеется источник питания, рассчитанный на максимальное напряжение до 50-ти Вольт.

Если в определенной ситуации потребовалось установить точное значение выходного напряжения всего в 5 Вольт при токе в нагрузке 5 Ампер – в выходных цепях будет бесполезно рассеиваться мощность 225 Ватт. Эта цифра получается из расчета 50-5=45 (Вольт), что после умножения на 5 Ампер дает означенною величину потерянной без всякого эффекта мощности.

Важно! В данной ситуации КПД такого источника будет предельно низким.

Для устранения указанного недостатка приходится принимать специальные меры, позволяющие существенно снизить потери в индуктивных выходных каскадах. Для этого потребуется предпринять следующее:

• Каким-то образом коммутировать вторичные обмотки силового трансформатора (ТС), что позволит при необходимости отбирать от него меньшую по величине мощность.
• Использовать более экономичный импульсный режим преобразования электроэнергии.
• Воспользоваться заранее изготовленным предварительным регулятором, работающим по тому же импульсному принципу.

С другой стороны, общеизвестно, что надежный и многофункциональный лабораторный блок питания не должен иметь импульсных узлов, приводящих к появлению нелинейных искажений. Более рациональным и эффективным в этом случае считается чисто линейное преобразование.

Дополнительная информация: для не очень сложных любительских схем вполне сгодится обычный импульсный блок питания.

Однако для наладки более точной электронной аппаратуры потребуется стандартное устройство, содержащее узлы с линейной передаточной характеристикой.

Электронный коммутатор обмоток трансформатора лабораторных источников питания.

Николай Петрушов

В первой части нашего повествования, была рассмотрена схема коммутатора вторичной обмотки силового трансформатора, выполненная на электромагнитных реле. Для тех, кто мало работает с блоком питания в режиме стабилизации тока, и не изменяет выходное напряжение под нагрузкой — схема вполне подойдёт и прослужит очень долго, но и у неё имеются определённые недостатки. При регулировке выходного напряжения БП слышны щелчки срабатываемых реле. Так как коммутация обмоток происходит с прерыванием тока, контакты реле могут обгорать, особенно в режиме стабилизации тока с подключенной нагрузкой. Всех этих недостатков не имеет электронный вариант коммутатора вторичных обмоток трансформатора ЛБП, рассматриваемый ниже.

Схема электронного коммутатора выполнена на симисторах и работает в режиме вольт добавки. Ей абсолютно всё равно, в какой момент полупериода переменного напряжения включится или выключится симистор, и сколько включится симисторов. Она просто добавляет или уменьшает (но не прерывает) входное напряжение на блок питания, которое зависит от количества включенных симисторов и соответственно выходного напряжения блока питания. Идея использования вольт добавки, предложенная kotosob

-ом с форума сайта «Паяльник», я здесь лишь предлагаю свой вариант её исполнения. Схема этого варианта коммутатора, так же, как и в первой части, собрана на микросхеме К555ИВ3. Без неё было бы трудно реализовать алгоритм переключения симисторов, да и увеличилось бы количество отводов вторичной обмотки силового трансформатора и используемых в схеме диодов и симисторов, при аналогичных пределах переключений и используемых напряжений. В силовой части коммутатора используются четыре симистора (соответственно четыре симисторных оптрона) и три диодных моста, которые при применении симисторов в изолированных корпусах, можно установить на общий радиатор.

Схема блока переключения обмоток трансформатора.

Как видно из схемы, она похожа на релейный вариант коммутатора, рассмотренного в первой части. Для задания порогов переключения, здесь так же используются стабилитроны на рабочее напряжение 6,2 — 6,8 вольт. Лучше конечно использовать стабилитроны на рабочее напряжение 6,8 вольт, тогда пороги переключений будут следующие — 6,8 v; 13,6 v; 20,4 v; 27,2 v; 34 v; 40,8 v. В электронном коммутаторе используются четыре симистора, которые коммутируют вторичные обмотки силового трансформатора таким образом, что выходное напряжение с моста, подаваемое на вход блока питания (на электролитические конденсаторы фильтра), изменяется от 8-ми до 44 вольт, с пределом изменения в 6 вольт, в зависимости от выходного напряжения блока питания, то есть равняется 8, 14, 20, 26, 32, 38, 44. Необходимое напряжение вторичных обмоток силового трансформатора для данного варианта блока питания, указано на схеме силовой части коммутатора. С таким коммутатором можно построить блок питания с выходным напряжением, изменяемым от 0 и до 40-45 вольт, с током нагрузки 5-10 ампер с хорошим КПД во всём диапазоне выходных напряжений.

Схема силовой части.

Если в фильтре блока питания применить электролитические конденсаторы на рабочее напряжение 80 вольт, то можно построить блок питания, максимальное выходное напряжение которого, может достигать 55-65 вольт. Для этого необходимо будет намотать силовой трансформатор, первые три секции которого (I, II, III) имеют выходное напряжение по 8 вольт, две последующие (IV, V) по 16 вольт, соответственно проводом, рассчитанным на необходимый ток нагрузки. Напряжения, подаваемые на вход блока питания в этом случае будут следующие — 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56 вольт. Так же все стабилитроны необходимо будет заменить на стабилитроны с напряжением стабилизации 7,5 — 8,2 вольта, для расширения порогов переключения электронного коммутатора. Работа электронной схемы, аналогична схеме релейного коммутатора, описанного в первой части, а силовая часть работает следующим образом. Если выходное напряжение БП не превышает 6,2-6,8 вольт (рабочее напряжение стабилитрона), то все симисторы закрыты, и на вход БП поступает напряжение 8 вольт с III-части вторичной обмотки силового трансформатора. При повышении выходного напряжения, открывается первый стабилитрон, на выходе 1 (вывод 9) микросхемы К555ИВ3 появляется логический ноль, загорается светодиод оптрона U3, открывается симистор VS3. К диодам второго моста VD9-VD10 подключается II-часть вторичной обмотки и к 8-ми вольтовой обмотке добавляется 6 вольт. В итоге выходное напряжение повышается на 6 вольт (8+6). Выпрямительные диоды VD7-VD8 при этом запираются поступающим на них повышенным обратным напряжением с диодов VD9-VD10 и исключаются из работы. В дальнейшем при повышении выходного напряжения БП, открывается второй стабилитрон. На выходе 2 (вывод 7) микросхемы К555ИВ3 — появляется логический ноль, на выходе 1 (вывод 9) — логическая единица. Загорается светодиод оптрона U2, симистор VS2 открывается, а светодиод оптрона U3 гаснет и симистор VS3 — закрывается. В работу вступают диоды VD3-VD4 (и VD7-VD8), которые запирают диоды VD5-VD6. К 8-ми вольтовой обмотке добавляется 12 вольт, а 6 вольт (VS3, VD9-VD10) отключается. Итоговое напряжение на входе БП повышается ещё на 6 вольт (8+12). В дальнейшем при повышении выходного напряжения БП — симисторы VS1-VS3 (точнее будет VS3-VS1), срабатывают в двоичном коде и напряжение ступенями по 6 вольт повышается до максимума. Последним открывается симистор VS4. При уменьшении выходного напряжения блока питания, всё происходит в обратном порядке. Переключатель обмоток собран на печатной плате, размером 56х77 мм.

Печатная плата коммутатора.

Печатную плату для коммутатора любезно предоставил пользователь нашего сайта Анатолий Соколов (anatolurew

). Печатная плата в формате Sprint-Layout от Анатолия Соколова добавлена к статье в прикреплении (архиве) для скачивания. Зарубежные аналоги для микросхемы К555ИВ3, как указывалось в первой части — 74LS/HC/HCT 147. В качестве диодных мостов (VD1-VD4, VD5-VD8, VD9-VD12) и силовых симисторов, можно применить любые симисторы и диодные мосты, а так же отдельные диоды, рассчитанные на требуемый ток и соответствующее напряжение. В качестве транзисторов — любые маломощные транзисторы. Оптроны так же можно применять любые из имеющихся, но только симисторные. транзисторные и диодные не подойдут. Можно вместо них в крайнем случае поставить и маломощные электромагнитные (герконовые) реле. Резисторы по 330 ом, которые включены последовательно со светодиодами оптронов в этом случае исключаются, а контакты реле подключаются вместо симисторов оптронов. Приложение:

Скачать архив.

Принцип работы

Для решения этой проблемы при разработке промышленных источников питания инженеры пошли по первому пути, предполагающему наличие во вторичной обмотке нескольких коммутируемых отводов. Для их переключения применяются самые различные способы, включая следующие варианты:

• Ручная коммутация (посредством галетных переключателей, например).
• Использование типовых коммутирующих реле, управляемых отдельным электронным узлом.
• Включение в выходную цепочку быстродействующих полупроводниковых элементов (симисторов).
• Применение в качестве управляющего узла современных контроллеров.

Такая коммутация позволяет использовать только часть вторичной обмотки, соответствующую требуемому значению выходного напряжения (в приведенном выше примере – это 5 Вольт).

Таким образом, принцип работы такой схемы заключается в искусственной регулировке выходного переменного напряжения с установкой его фиксированной величины, меньшей полного значения выхода трансформатора. Данный подход исключает неоправданный расход энергии, идущей на бессмысленный нагрев элементов выпрямителя (в типовых схемах эту функцию выполняют силовые транзисторы).

Обратите внимание! Для повышения КПД такой схемы и снижения степени нагрева сердечника трансформатора специалисты советуют увеличивать число отводов вторичной обмотки до максимального значения.

После такой доработки выходных цепей к ним подключаются контакты галетного переключателя, посредством которого можно будет устанавливать требуемый режим питания по выходу. Единственное неудобство этого метода – увеличение числа органов управления выходным напряжением. Неэффективность механического способа подключения выходных обмоток трансформатора заставляет искать новые (более рациональные) решения.

Трансформаторы тока

Трансформатором тока называют электрический датчик, предназначенный для считывания переменного тока и получения сигнала, практически не сдвинутого по фазе относительно измеренного тока и обладающего информацией о его величине.

Трансформаторы тока

Выходной сигнал трансформатора тока должен практически линейно соответствовать измеряемому току.

Первичную обмотку измерительного трансформатора тока образуют одним или, реже, несколькими витками провода и включают последовательно в цепь с током, который надлежит измерить. Зачастую роль первичной обмотки играет шина большого сечения, на которую надевают магнитопровод с уложенной на него вторичной обмоткой. Магнитопровод следует выбрать таким, чтобы он не вошел в насыщение. Обычно в качестве материала магнитопровода используют аморфные металлы или нанокристаллические сплавы.

Вторичную многовитковую обмотку выполняют обмоточным проводом малого диаметра. Коэффициент трансформации может достигать нескольких тысяч. Вторичных обмоток может быть несколько. Примером служит устройство TOЛ-10-I-7 (опорный измерительный трансформатор тока, имеющий три вторичных обмотки). Напряжение вторичной обмотки может быть высоким, что накладывает требования использования качественной изоляции с высоким напряжением пробоя и соблюдения норм техники безопасности при обслуживании такого трансформатора квалифицированным персоналом.

Опорный измерительный трансформатор тока типа ТОЛ-10-I

Между первичной и вторичной обмоткой часто прокладывают слой изоляции для обеспечения гальванической развязки. В отдельных случаях напряжение гальванической развязки может достигать тысяч киловольт.

К выходу трансформатора тока обычно подключают прецизионный резистор и с этого резистора снимают напряжение, соответствующее току через первичную обмотку. Если используют высокоомный резистор или если вовсе не подключают резистор, а снимают напряжение непосредственно с вторичной обмотки, то выходной сигнал будет пропорционален dl/dt, и такой трансформатор тока может быть дифференцирующим.

Схемы соединений трансформаторов тока

При помощи трансформаторов тока первичный ток уменьшают до значений, наиболее удобных для питания измерительных приборов и реле. Обычно вторичные токи трансформаторов тока не превышают 1 или 5 А.

Первичные обмотки трансформаторов тока включают в рассечку электрической цепи, а вторичные замыкают на нагрузку (приборы, реле). Размыкание вторичной обмотки трансформатора тока может привести к аварийному режиму, при котором резко возрастает магнитный поток в сердечнике и ЭДС на разомкнутых концах. При этом максимальное значение ЭДС может достигнуть нескольких киловольт. При магнитном насыщении увеличиваются активные потери в магнитопроводе, что приводит его к нагреву и обгорании изоляции обмоток.

Схемы соединений трансформаторов тока. а – звездой, б – треугольником, в – неполной звездой, г – на разность токов двух фаз, д – на сумму токов трех фаз.

Неиспользуемые в эксплуатации вторичные обмотки трансформаторов тока закорачивают при помощи специальных зажимов.

Первичные обмотки трансформаторов тока изолируют от вторичных на полное рабочее напряжение. Однако на случай повреждения изоляции принимаются меры, обеспечивающие безопасность работ во вторичных цепях. Для этого один из концов вторичной обмотки трансформаторов тока заземляют.

Почему вторичную обмотку трансформатора тока нельзя оставлять разомкнутой

Трансформатор тока нормально работает в режиме короткого замыкания и не допускает работы в холостую. При работе с трансформаторами тока необходимо следить за тем, чтобы вторичная обмотка трансформатора тока при подключенной первичной не оставалась разомкнутой.

Вторичную обмотку трансформатора тока нельзя оставлять разомкнутой, если по первичной обмотке проходит измеряемый ток, по следующим причинам.

При размыкании вторичной цепи, что может быть, например, при отключении амперметра, исчезает встречный магнитный поток Ф2, следовательно, по сердечнику начинает проходить большой переменный поток Ф1, который вызывает наведение большой ЭДС во вторичной обмотке трансформатора тока (до тысячи вольт), так как вторичная обмотка имеет большое число витков. Наличие такой большой ЭДС нежелательно потому, что это опасно для обслуживающего персонала и может принести к пробою изоляции вторичной обмотки трансформатора тока.

Схема включения измерительного трансформатора тока

При возникновении в сердечнике большого потока Ф1 в самом сердечнике начинают наводиться большие вихревые токи, сердечник начинает сильно нагреваться, и при длительном нагреве может выйти из строя изоляция обеих обмоток трансформатора. Поэтому надо помнить, что, если надо отключить измерительные приборы, то необходимо сначала закоротить либо вторичную, либо первичную обмотку трансформатора.

У некоторых трансформаторов тока для этой цели предусмотрены специальные устройства (гнезда со штекерами, перемычки и т. д.). Если таких устройств нет, то необходимо их сделать самим.

Трансформаторы тока классифицируют по следующим признакам:

1. По назначению:

• измерительные;
• защитные;
• промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.);
• лабораторные (высокой точности, а также со многими коэффициентами трансформации).

2. По роду установки:

• для наружной установки (в открытых распределительных устройствах);
• для внутренней установки;
• встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;
• накладные — надевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);
• переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).

3. По конструкции первичной обмотки:

• многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с т. н. «восьмёрочной обмоткой»);
• одновитковые (стержневые);
• шинные.

4. По способу установки:

• проходные;
• опорные.

5. По выполнению изоляции:

• с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);
• с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
• газонаполненные (элегаз);
• с заливкой компаундом.

6. По числу ступеней трансформации:

• одноступенчатые;
• двухступенчатые (каскадные).

7. По рабочему напряжению:

• на номинальное напряжение свыше 1000 В;
• на номинальное напряжение до 1000 В.

8. Специальные трансформаторы тока:

• нулевой последовательности;
• пояс Роговского.

К достоинствам трансформаторов тока относят простоту организации гальванической развязки, незначительное тепловыделение и высокую повторяемость параметров от экземпляра к экземпляру. Трансформаторы тока используют в измерителях величины тока и в системах защиты источников питания от перегрузок и коротких замыканий в нагрузках.

Преимущества

Применение принципа дробления выходного напряжения на небольшие части обеспечивает следующие преимущества:

• Возможность на свое усмотрение устанавливать на выходе устройства широкий набор рабочих напряжений.
• Снизить потери в выходных каскадах блока питания.
• Повысить общий КПД и, в конечном счете, сэкономить на расходе электроэнергии.

Все эти преимущества удается получить лишь при условии эффективности механических способов управления или электронных схем коммутации. Порядок построения каждой из них будет рассмотрен в следующем разделе.

Варианты схематических решений

При конструировании блоков питания, обеспечивающих экономное расходование электроэнергии и исключающих тепловые потери в сердечнике трансформатора, возможны следующие варианты:

• Установка в выходных цепях обычных переключателей витков.
• Применение в тех же цепочках коммутаторов релейного типа.
• Использование в выходных управляющих линиях современных симисторных переключателей.
• Применение в преобразовательной схеме программируемого электронного коммутатора (контроллера).

Далее каждый из этих способов управления выходным напряжением будет рассмотрен более подробно.

Простой блок переключения

Этот тип коммутатора может быть выполнен в виде обычного галетного переключателя, рассчитанного на определенное число положений ручки управления. Каждому из них соответствует заданное количество витков вторичной катушки трансформатора, с увеличением числа которых возрастает его выходное напряжение.

Важно! К преимуществам этого способа следует отнести простоту реализации, а к недостаткам – неудобство постоянного переключения ручки, которой приходится управлять вручную.

Кроме того, коммутации в этом случае происходят очень медленно и приводят к паразитным переходным процессам в выходных цепях, обладающих высокой индуктивностью.

Релейный

Принцип этого метода управления выходными каскадами БП основан на применении специальных коммутирующих элементов, называемых реле. С их помощью удается существенно повысить скорость переключений и исключить появления больших всплесков напряжения (тока). Со схемой такого коммутатора можно ознакомиться на приведенном справа рисунке.

Из нее видно, что для управления положением контактов реле используется отдельная катушка, напряжение с которой выпрямляется и подается на простейший электронный модуль, выполненный на основе транзисторов.

Обратите внимание! В этом случае исполнительной частью устройства коммутации являются контакты реле, срабатывающие намного быстрее человеческой руки, переключающей галетный прибор.

Поэтому переходные процессы в данной схеме заметно меньше, а опасность возникновения перенапряжений в выходных цепях существенно снижается. С другой стороны, контакты реле со временем снашиваются, а сильное искрообразование зачастую приводит к нарушениям в нормальной работе преобразователя. Гораздо надежнее некоторые типы полупроводниковых приборов (симисторы, например), при коммутации которых в цепях исключаются паразитные помехи.

Симисторный

Симисторная схема управления переключением обмоток (точнее – ее пример) приведена на рисунке слева. В данной ситуации коммутация витков выходной катушки осуществляется посредством электронных переходов специальных полупроводниковых приборов – симисторов. Для управления их переключением в схеме предусмотрен электронный модуль, срабатывающий по сигналу, поступающему от пользователя.

В данном случае для развязки управляющих и коммутирующих цепей применены оптические пары того же симисторного типа. Сигнал на их входные элементы поступает с выходов транзисторов, управляемых электронным коммутатором на операционных усилителях. В состав симистороной схемы управления выходными напряжениями входят:

• Блок питания на стабилизаторе VR1.
• Модуль задержки включения, выполненный на транзисторах VT1-VT3.
• Блок индикации на светодиодных элементах LED1-LED3.
• Типовой сдвоенный компаратор LM393.
• Логика типа 74HC86.
• Оптроны MOC3083.
• Входной делитель R6-R7.

В процессе настройки этой схемы резистором R7 выставляется фиксированное входное напряжение, поделенное делителем R6-R7 на десять. Пример: при поступлении с БП напряжения 20 Вольт, его величина на не инвертируемых входах LM393 составит всего 2 Вольта. А резисторы R8, R10 служат для выставления пороговых напряжений переключения

Как проводится регулировка

Порядок проведения регулировки предусматривает следующие операции:

• в начальном положении витки замкнуты, согласно нахождению замыкающих элементов избирателя;
• агрегат отключается от напряжения;
• поворотом рукоятки или включением механизированного привода перемещается замыкающий элемент избирателя с изменением рабочего количества витков на обмотке;
• агрегат включается в сеть.

Также читайте: Что такое ограничитель перенапряжений(ОПН)
Переключение производится на необходимое значение, согласно требуемым характеристикам потребляющего оборудования.