Применение трансформаторов в выпрямителях

Трансформатор для выпрямителя

  Схема выпрямителя, используемая в большинстве электронных источников питания, представляет собой однофазный мостовой выпрямитель с емкостной фильтрацией, за которым обычно следует линейный регулятор напряжения. Схема этого выпрямителя показана ниже: (Рис.1):Схема выпрямителя с трансформатором

  Большая часть наших трансформаторов используется в выпрямительных схемах (Рис.1) поэтому мы решили посвятить эту статью выпрямительным трансформаторам и дать некоторые практические советы разработчикам источников питания.

   «Переменный ток, подаваемый на выпрямитель, всегда равен постоянному току, потребляемому от выпрямителя, когда токами утечки в диодах можно пренебречь.»

  Это верно, если мы сравним средние токи (Im) на стороне переменного и постоянного тока выпрямителя. Но переменный ток всегда измеряется как среднеквадратичный ток (Irms),а постоянный ток всегда измеряется как средний ток (Im). Первоначальное заявление неверно, если мы сравним Irms на стороне переменного тока с Im на стороне постоянного тока выпрямителя.

  Среднеквадратичный ток Irms всегда больше, чем средний ток Im из-за пиковой формы переменного тока. Если разделить Irms на Im, мы получим величину пикового значения тока, которая называется форм-фактором. (F = Irms/ Im). Чем острее пики, тем больше значение F.

  Нагревательный эффект электрического тока в проводке, резисторах и обмотках трансформатора пропорционален квадрату среднеквадратичного значения тока. Нагревательный эффект переменного тока в цепи выпрямителя соответственно пропорционален IS2 = (F x Im) 2 = (F x IL) 2, или квадрату постоянного тока, умноженному на форм-фактор F в квадрате. Повышение температуры в данном выпрямительном трансформаторе, таким образом, сильно зависит от значения форм-фактора (F), и требуемый размер выпрямительного трансформатора не может быть определен до тех пор, пока не будет известно фактическое значение форм-фактора.

  В выпрямителе типа, показанного на рисунке 1, F имеет значение где-то между 1,11 и 5,0 в зависимости от относительных значений импедансов до и после диодного моста. Когда эти импедансы известны, можно рассчитать F (и UC) с помощью графических методов. Но в этот момент разработчик источника питания обычно имеет в руке прототип трансформатора, поэтому UC и IS могут быть определены быстро стендовыми испытаниями. (Будьте осторожны при измерении IS с помощью измерителя, измеряющего истинное среднеквадратичное значение тока. Большинство измерителей переменного тока измеряют Im, но имеют градуировку в IRMS, предполагая, что F = 1,11, что верно только для синусоиды).

Ниже описывается точный и простой метод определения форм-фактора (F) по показаниям осциллографа с помощью графиков.

Предположим, мы наблюдаем формы сигналов тока и напряжения в различных частях схемы, показанной на рисунке 1, на осциллографе с электронно-лучевой трубкой, чтобы мы могли сравнивать формы сигналов до и после диодного моста. На диаграммах I-III показаны осциллограммы для различных значений емкости конденсатора (C), предполагая трансформатор с пренебрежимо малой последовательной индуктивностью, например тороидальный трансформатор.

 

С=0 Без регулятора

 

Диаграмма 2

 

 

 

 

 

Диаграмма 3

 

 

С- рабочий (Ur/Uc<10%)   С регулятором

 

Желаемый эффект от конденсатора — сглаживание постоянного напряжения, но в то же время он заставляет переменный ток протекать короткими импульсами, что означает более высокую F и более высокий среднеквадратичный ток в трансформаторе. «Угол проводимости» (α) выпрямителя можно измерить непосредственно по осциллограмме — просто помните, что полный полупериод составляет 180 °.

  Понятно, что форм-фактор (F) должен зависеть от угла проводимости (α). Мы вычислили точное соотношение между F и α для тороидальных трансформаторов, и результат показан здесь на этом графике. Измеряя угол проводимости (α) на осциллографе, можно определить по графику очень точное значение форм-фактора (F). Изменения нагрузки постоянного тока изменят угол проводимости, и соответствующие изменения в форм-факторе можно легко определить.

Таблица с диаграммами содержит дополнительную информацию, которая может помочь в оценке вариантов при проектировании источника питания. В комментариях к диаграммам мы определили коэффициент η = UDC / úo, которое связывает напряжение постоянного тока с пиковым напряжением холостого хода вторичной обмотки трансформатора. Сглаживание вершин формы волны переменного напряжения вызвано падением напряжения в общем импедансе перед диодным мостом, поэтому разумно предположить, что η должен изменяться в зависимости от угла проводимости (α). Мы также рассчитали это соотношение для тороидальных трансформаторов, и результат показан на листе графиков в виде пунктирной кривой.

График можно использовать для определения регулирования нагрузки постоянного тока выпрямителя. Регулировка нагрузки постоянного тока δUDC / UDC = (1-η) x 100%. Помните, что падение напряжения на диодах входит в значение UDC. Каждое падение напряжения на диоде можно считать постоянным и равным 1 В при всех нагрузках. Соответственно, регулирование чистой нагрузки немного хуже, чем 1-η, особенно для низких напряжений постоянного тока.

Важно отметить, что лучшая эффективность преобразования напряжения (измеряемая η) может быть получена только за счет более высокого форм-фактора, и, наоборот, более низкий форм-фактор может быть получен только за счет более слабого регулирования нагрузки постоянного тока.

Размер трансформатора, питающего выпрямитель, пропорционален произведению напряжения холостого хода (U0) и текущей емкости (IS), которую мы называем Po. Пунктирная линия на листе графика представляет наименьшее значение Po, требуемое для любого значения α (любого соответствующего значения F или η) для данной мощности постоянного тока. (Po / PDC = F / η√2).

Трансформатор имеет минимальный размер (Po) около 1,52 x PDC (общая мощность постоянного тока, включая потери в диодах) для α = 75º, где η = 0,8 и F = 1,7. К сожалению, невозможно всегда оставаться на минимуме, отчасти потому, что часто требуется лучшее регулирование постоянного тока, чем 20%, а отчасти потому, что регулирование нагрузки трансформаторов сильно зависит от размера трансформатора. Регулирование нагрузки постоянного тока и регулирование нагрузки трансформатора не пропорциональны, но они обычно увеличиваются и уменьшаются вместе, поэтому очень маленькие трансформаторы, как правило, работают при значениях, превышающих оптимальные, а очень большие трансформаторы работают при меньших, чем оптимальные значения α.

Конструкция выпрямительного трансформатора, отвечающая особым требованиям UC, UL, регулирования постоянного тока, повышения температуры и т. д., требует точных данных как для форм-фактора (F), так и для эффективности выпрямления (η). Но F и η в свою очередь определяются данными еще не спроектированного трансформатора, поэтому проектировщик блока питания попадает в ловушку. Один из выходов — взять какой-нибудь старый трансформатор, изменить его и помолиться, чтобы прототип заработал.

Другой выход — позволить инженерам компании «Элста» заняться проектированием трансформатора. Наши инженеры-прикладники имеют солидный опыт в проектировании трансформаторов и источников питания, и в их распоряжении есть инструменты для расчета и оптимизации трансформаторов, поэтому они могут спроектировать не только трансформатор, который будет работать, но и наиболее экономичный трансформатор, который будет работать эффективно.

К списку статей

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.