Трансформатори та дроселі для імпульсних джерел живлення

     Одним із найважчих питань, що виникають у процесі конструювання ІІП, є питання розрахунку трансформаторів та котушок індуктивності, у тому числі й дроселів. Як відомо, дросель – це котушка індуктивності, виконана таким чином, що здатна витримувати великі струми та має незначні втрати у робочому режимі. Найчастіше дроселями називають котушки індуктивності, що працюють при великому рівні постійного струму, що протікає через обмотку. Трансформатор також є різновидом котушки індуктивності. Для стислості далі скрізь котушки індуктивності будемо позначати КІ.
     Викладений нижче матеріал дає можливість не лише створювати КІ самостійно. Автор сподівається також, що читачі зможуть використовувати цю інформацію для перевірки та зміни параметрів КІ при повторенні та ремонті радіоаматорських чи промислових конструкцій. Адже часто головною перешкодою для цього є труднощі у придбанні феритових сердечників зазначеного типу або намотувального дроту певного діаметра.
    Слід зазначити, що наведені нижче формули та таблиці можуть застосовуватися при розрахунку будь-яких КІ, а не тільки при розрахунку дроселів та трансформаторів для ІІП. Точність розрахунку параметрів КІ на основі викладеної нижче методики становить 25-35 %, що у більшості випадків достатньо для практичних цілей. Зустрічаються іноді в літературних джерелах претензії на більш високу точність розрахунку викликають певний сумнів, оскільки довідкові дані виробників сердечників самі по собі мають точність порядку 25 % і тільки деякі ферити для сигнальних ланцюгів визначені більш точно.

   Основні характеристики

  Основними електричними характеристиками КІ є індуктивність, омічний опір обмотки, максимальний робочий струм і величина втрат у сердечнику. Крім того, важливими характеристиками є габаритні розміри та вага, а також ціна; та трудомісткість виготовлення.
    Вимоги до КВ варіюються залежно від конкретного застосування. Наприклад, для багатьох понижуючих перетворювачів і для більшості завадних фільтрів індуктивність дроселя може бути обрана більшою, ніж потрібно з розрахунку. При цьому якість роботи перетворювача або фільтра не погіршується, а, навпаки, стає кращою. У той же час дроселі для перетворювачів, що інвертують і підвищують, повинні мати певну, досить строго задану розрахунком величину індуктивності. У таких випадках суттєве відхилення індуктивності застосованої КІ від необхідної – як її зменшення, так і збільшення – призводить до небажаних режимів роботи ІІП, зайвих втрат та перевантажень напівпровідникових приладів. Аналогічна картина спостерігається і для трансформаторів. У деяких застосуваннях, таких як двотактні перетворювачі та однотактні перетворювачі з передачею енергії «на прямому ході ключа», індуктивність первинної обмотки трансформатора не критична і завжди може бути збільшена або при дотриманні деяких умов навіть зменшена. У той же час однотактні перетворювачі «на зворотному ході ключа», які за своєю суттю є перетворювачами, що інвертують, дуже чутливі до величини індуктивності трансформатора. І тут трансформатор практично є видозміненим дроселем. Що стосується максимального робочого струму та опору обмоток, то тут межі покращення немає: практично будь-який дросель або трансформатор можна успішно замінити на дросель або трансформатор з великим максимально допустимим значенням робочого струму та меншим опором обмоток.
     Індуктивність
     Індуктивність КІ розраховується за формулою:
                                                                                                        L=AL*N2(мкГн), (1)
 де AL - довідковий параметр сердечника, мкГн;
 N - кількість витків в обмотці.
   Для кільцевого сердечника із замкненим магнітним сердечником без зазору параметр АL легко вирахувати самостійно за формулою:
                                                                                                        формула
   де, u1 - початкова магнітна проникність матеріалу сердечника;
   u0 - абсолютна магнітна проникність вакууму, фізична константа має значення 1.257×10-3 мкГн/мм;
   Se - ефективна площа перерізу магнітопроводу, мм2;
   Ie – ефективна довжина сердечника, мм.
   Довідкові дані низки сердечників без зазору наведено у таблицях 1-4. Там же вказані ефективні геометричні параметри сердечників Ie та Se, а також відносна магнітна проникність фериту. При використанні матеріалу з іншим значенням магнітної проникності значення параметра AL слід перерахувати:
                                                                                                AL=AL(табл.)*u1/u1(табл.) (3)

  де AL (табл.) - Табличне значення коефіцієнта індуктивності сердечника;
  u1(табл.) - магнітна проникність фериту, вказана в таблиці;
  u1 - магнітна проникність використовуваного матеріалу.
     Відомо, що позначення марки вітчизняних феритів включає вказівку на їх початкову магнітну проникність, наприклад, ферит 1000НМ має магнітну проникність mi =1000 і так далі. Типовий діапазон проникності для феритів лежить у межах 100-10000. Майже всі роз'ємні сердечники для силової електроніки виконуються з феритів з високою магнітною проникністю. 1500 та більше. Слід мати на увазі, що чим вище магнітна проникність фериту, тим вище втрати в осерді на високих частотах. Роз'ємні осердя з матеріалу з низькою проникністю призначені для сигнальних ланцюгів, їх не рекомендується використовувати в силових ланцюгах ІІП.
    Технічні дані деяких зарубіжних феритів наведено у табл. 5. Через брак місця щодо докладного переліку наведено лише для феритів фірми Philips, для інших фірм автор обмежився популярними силовими феритами для роз'ємних сердечників ІІП.
    Найчастіше для роз'ємних сердечників ІІП використовуються марганець-цинкові ферити наступних марок:
• ЗС85, ЗС90, 3F3 фірми Philips;
• N27, N41, N47, N67 фірми Siemens;
• РСЗВ, РС40 фірми TDK;
• В50, В51, В52 фірми Thomson-LCC;
• F44, F5, F5A фірми Neosid і т.д. Нікель-цинкові ферити переважні для використання на частотах більше 2 МГц, що виходить за межі робочого діапазону частот більшості сучасних ІІП. Як видно з наведеної таблиці, ферити різних виробників мають схожі параметри та утворюють взаємозамінні сімейства. Їх можна замінити навіть вітчизняними феритами марок 1500ММ, 2000ММ, 2500ММ.
    Кільця фірм Philips та Siemens мають пластикову оболонку, колір якої вказує на марку фериту або порошкового заліза. На роз'ємних сердечниках марка матеріалу, як правило, вказана у текстовому вигляді. На жаль, не всі магнітні сердечники мають належне маркування. Приблизно оцінити магнітні властивості фериту можна так: як правило, ферити з більш високою проникністю темні, майже чорні, вони виявляють помітно зернисту структуру на сколах і розломах, тоді як ферити з відносно низькою проникністю мають сірий колір і однорідну структуру.
    Значення AL для сердечників із зазором також можна отримати на основі табличних даних. При збільшенні зазору ефект виходить такий же, як магнітна проникність матеріалу сердечника зменшувалася. Навіть порівняно невеликі зазори зменшують проникність сердечника в десятки та сотні разів. Отримана при цьому ефективна магнітна проникність залежить в основному від геометричних розмірів і майже не залежить від магнітної проникності матеріалу:
                                     
                                                                                                        формула
    де Ie – ефективна довжина середньої магнітної лінії сердечника, мм;
    g - Сумарна товщина зазору, мм.
  Формула (4) справедлива при виконанні наступних умов: ті набагато менше проникності матеріалу сердечника mi, а зазор g набагато менше розмірів поперечного перерізу сердечника.
  Для рознімних сердечників в табл. 2-4, крім значення магнітної проникності фериту ц, наведено значення ефективної магнітної проникності ті для сердечника без зазору, яке має меншу величину. Справа в тому, що реально роз'ємний сердечник завжди має якийсь зазор, хоч і дуже маленький. Крім того, частина магнітних ліній проходить повз сердечника, особливо якщо розміри його малі, а форма значно відрізняється від кільцевої. При дуже малих проміжках або малої проникності фериту співвідношення (4) неточно, адже навіть при нульовому проміжку ефективна магнітна проникність не може перевищити магнітної проникності матеріалу сердечника. При дуже великих проміжках форма магнітного поля в них спотворюється, що призводить до додаткових похибок при використанні формули (4). Вираз «багато менший» має на увазі ставлення в 10 і більше разів. Нехай читачів не бентежить обмеженість області застосування формули (4), вона покриває переважну більшість практичних випадків.
   Наприклад, візьмемо сердечник, що складається з двох Ш-подібних магнітопроводів Е20/10/5, виготовлених з матеріалу ЗС85, тобто з фериту з проникністю ц = 2000. Довжина середньої магнітної лінії осердя 42,8 мм, розміри поперечного перерізу 3.5*5.0 мм у тонкій частині магнітопроводу. Введемо в осердя прокладку з немагнітного матеріалу завтовшки 0.25мм, ширина зазору вийде 2×0,25=0,5 мм. Ефективна магнітна проникність сердечника із зазором (13=42,8/0,5=85,6. При цьому умови застосування формули (4) дотримані: m,=85,6 багато менше, ніж 2000; зазор д=0,5 мм набагато менше 3.5 мм.
   Остаточна формула для розрахунку параметра AL сердечника із зазором така:

                                                                                                 импульсивные источники питания
    де AL(табл.) і ue(табл.) - табличні значення, а умови застосування такі ж, як у формули (4).
    Продовжимо наведений вище приклад із сердечником Е20/10/5 із фериту ЗС85. Його табличні значення: АL (табл.) = 1.3 МКГН, ue (табл.)1430. Після запровадження зазору 0,5 мм формула (5) дає результат AL=0,074 мкГн.
    Обмежений обсяг журнальної статті не дозволяє помістити дані всіх видів сердечників, що є на ринку. Вихід із положення підказують такі міркування.
    Значення AL залежить лише від двох факторів: магнітної проникності та геометрії сердечника. Практично будь-який замкнутий сердечник можна розглядати як деформоване кільце. Наприклад, сердечник, що складається з двох Ш-подібних половин, можна уявити так: велике кільце розрізали вздовж на два тонкі кільця, потім ці тонкі кільця деформували в прямокутники і склали разом у вигляді «вісімки». Дуже важливо, що за такого геометричного (топологічного) перетворення параметр AL змінюється незначно. Отже, будь-який замкнутий сердечник складної форми можна подумки піддати і зворотному перетворенню на кільце. Таким чином, стає зрозуміло, як чинити з сердечниками, не описаними в таблицях: треба виміряти їх геометричні розміри, обчислити довжину середньої магнітної лінії та усереднений поперечний переріз магнітопроводу, а потім знайти AL осердя за формулою (2).
   Наприклад, для того ж сердечника Е20/10/5, що має довжину середньої магнітної лінії приблизно 45мм та усереднений переріз магнітопроводу приблизно 5×6=30 мм2, розрахунок за формулою (2) дає результат AL=1,257 мкГн. Це неподалік «істинної» табличної величини AL=1,3 мкГн, яка як така має точність 25 %.
   Є й інший шлях. Неважко визначити значення AL за результатами вимірювання індуктивності пробної обмотки. Намотайте невелику обмотку на серцевину, що перевіряється, наприклад, 10 витків (N=10). Потім вимірювальним мостом або LC-метром виміряйте індуктивність L і розрахуйте AL за формулою:

                                                                                           формула
   Знайти, скільки витків повинна мати обмотка для отримання заданої індуктивності можна за формулою:

                                                                                        
  Легко бачити, що обидві останні формули є простими перетвореннями формули (1).

  Насичення сердечника
  Якщо через котушку з сердечником протікає великий струм, магнітний матеріал сердечника може увійти в насичення. При насиченні сердечника його відносна магнітна про-

                 кольцевые ферритовые сердечники

 
                                                                             
 нічність різко зменшується, що тягне у себе пропорційне зменшення індуктивності. Зниження індуктивності викликає подальше прискорене зростання струму через КІ, і т. д. У більшості ІІП насичення сердечника вкрай небажане і може призводити до таких негативних явищ:
- у підвищений рівень втрат у матеріалі сердечника та збільшений рівень омічних втрат у дроті обмотки призводять до невиправдано низького ККД ІІП;
-додаткові втрати викликають перегрів КІ, а також розташованих поблизу радіодеталей; доречно буде згадати, що надійність електронної апаратури зазвичай знижується вдвічі зі збільшенням температури кожні 6 градусів;
- сильні магнітні поля в сердечнику у поєднанні із зменшенням його магнітної проникності є багаторазово посиленим, порівняно з нормальним режимом роботи, джерелом перешкод та наведень на малосигнальні ланцюги ІІП та інші прилади;
- прискорено наростаючий струм через КІ викликає ударні струмові навантаження ключів ІІП, підвищені омічні втрати в ключах, їх перегрів та передчасний вихід з ладу; е ненормально великі імпульсні струми КІ спричиняють перегрів електролітичних конденсаторів фільтрів живлення, а також підвищений рівень перешкод, що випромінюються проводами та доріжками друкованої плати ІІП.
    Список можна продовжити, але й так уже ясно, що слід уникати роботи осердя в режимі насичення. Феріти входять у насичення, якщо величина щільності потоку магнітної індукції перевищує 300 мТ
(мілітесла), причому ця величина не так сильно залежить від марки, фериту. Тобто 300 мТ є хіба що вродженою властивістю саме феритів, інші магнітні матеріали мають інші величини порога насичення. Наприклад, трансформаторне залізо і порошкове залізо насичуються при величині щільності потоку магнітної індукції приблизно 1Т, тобто можуть працювати набагато сильніших полях. Точніші значення порога насичення для різних феритів вказані в табл. 5. Величина щільності потоку магнітної індукції в осерді розраховується за такою формулою:

                                                                                                                            
   де u0 - абсолютна магнітна проникність вакууму, 1.257 * 10 "3, мкГн / мм;
   ue - відносна магнітна проникність сердечника (не плутати з проникністю матеріалу сердечника);
   I - Струм через обмотку, А;
   N - кількість витків в обмотці;
   Ie - Довжина середньої магнітної лінії сердечника, мм.
  Нескладне перетворення формули (8) допоможе знайти відповідь на практичне питання: який максимальний струм може проходити через дросель до того, як сердечник увійде до насичення?

                                                                                                                           
   де Вмакс - табличне значення, замість якого можна використовувати значення 300 мТ для будь-яких силових феритів.
   Для сердечників із зазором зручно підставити сюди вираз (4). Після скорочень отримуємо:

                                                                                                                          
  Результат виходить, здавалося б, досить парадоксальний: величина максимального струму через КІ із зазором визначається ставленням розміру зазору до кількості витків обмотки і залежить від розмірів і типу сердечника. Однак цей парадокс пояснюється просто. Феритовий серцевик настільки добре проводить магнітне поле, що все падіння напруженості магнітного поля припадає на зазор. При цьому величина потоку магнітної індукції, однакова і зазору, і для сердечника, залежить лише від ширини зазору, струму через обмотку і кількості витків в обмотці і не повинна перевищувати 300 мТ для звичайних силових феритів.
  Для відповіді на запитання, якої сумарний зазор g треба ввести в сердечник, щоб він витримав без насичення заданий струм, перетворимо вираз (10) до наступного виду:

                                                                                                                        
  Щоб наочно показати вплив зазору, наведемо наступний приклад. Візьмемо сердечник Е30/15/7 без проміжку, ферит ЗС85, магнітна проникність те=1700. Розрахуємо кількість витків, необхідне отримання індуктивності 500 мкГн. Сердечник, згідно з таблицею, має AL=1,9 мкГн. Скориставшись формулою (7), отримуємо трохи більше 16 витків. Знаючи ефективну довжину сердечника Ie = 67 мм, за формулою (9) обчислимо максимальний робочий струм: Iмакс = 0,58 А.
   Тепер введемо в сердечник прокладку завтовшки 1 мм, зазор становитиме д=2 мм. Ефективна магнітна проникність зменшиться. Після некраїної міри, зменшуйте кількість витків в обмотці, щоб знизити втрати в міді, і одночасно зменшуйте зазор у сердечнику. Важливо підкреслити, що ця рекомендація не відноситься до трансформаторів, у яких струм, що протікає через первинну обмотку, визначається двома складовими: струмом, що передається у вторинну обмотку, і невеликим струмом, що намагнічує сердечник (струм магнетизації).
   Як бачимо, зазор у сердечнику дроселя грає винятково важливу роль. Однак не всі сердечники дозволяють вводити прокладки. Кільцеві сердечники виконані нероз'ємними, і замість «регулювати» еквівалентну магнітну проникність за допомогою зазору, доводиться вибирати кільце з певною магнітною проникністю фериту. Цим і пояснюється факт великої різноманітності типів магнітних матеріалів, що застосовуються промисловістю для виготовлення кілець, тоді як роз'ємні сердечники для ІІП, куди легко ввести проміжок, майже завжди виконані з феритів з високою магнітною проникністю. Найбільш поширеними при використанні в ІІП виявляються два типи кілець: з низькою проникністю (у межах 50...200) - для дроселів, і з високою проникністю (1000 і більше) - для трансформаторів.
Порошкове залізо виявляється найкращим матеріалом для кільцевих нероз'ємних сердечників дроселів, що працюють при великих струмах підмагнічування. Проникність порошкового заліза зазвичай знаходиться в межах 40...125, найчастіше зустрічаються кільця, виконані з матеріалів з проникністю 50...80. У табл. 6 наведено довідкові дані кільцевих сердечників із порошкового заліза фірми. Philips. Перевірити, чи входить сердечник у насичення при роботі звичайного ІІП, нескладно: достатньо проконтролювати за допомогою осцилографа форму струму, що протікає через КІ. Датчиком струму може бути низькоомний резистор або трансформатор струму. КИ, що працює в нормальному режимі, матиме геометрично правильну трикутну або пилкоподібну форму струму. У разі насичення сердечника форма струму буде викривлена.

             
         
  кольцевые сердечники

    Втрати у дроті обмотки

 Розглянутий у попередньому номері журналу приклад показує, що введення зазору в сердечник дає можливість значно збільшити максимальний струм через КВ. Що більше зазор, то більший струм зможе витримати котушка. Щоб зберегти при цьому незмінну індуктивність, обмотка повинна містити більше витків. Однак, збільшуючи кількість витків, ми збільшуємо опір обмотки. Це веде до додаткових втрат потужності у дротах («втрати в міді»):

                                                                                                                                   Робм. = Rобм. * 12 (Вт), (12)

  де Rобм. - Опір обмотки, Ом;
  I - Струм через обмотку, А.
  Для розрахунку втрат в обмотці потрібно враховувати форму струму через КВ. Наприклад, через дроселі у фільтрах живлення та у багатьох знижуючих перетворювачах тече практично постійний струм. Їх змінна складова струму через КІ відносно мала і становить 10-20% від величини постійного струму через обмотку. Для розрахунку втрат у міді змінної складової струму можна знехтувати і використовувати формулу (12) безпосередньо, підставляючи у неї усереднене значення струму, що протікає через дросель.
  Форма струму первинної обмотці трансформатора двотактного перетворювача має форму, близьку прямокутної. Якщо обмотка має дві половини, кожна з них буде розсіювати 1/2 частина потужності, знайденої за формулою (12).
   У ІІП з переривчастим струмом дроселя струм матиме трикутну форму з паузами. У такому разі втрати у дроті треба розраховувати за формулою:

                                                                     
   де 1ампл - амплітудне значення струму, А;
   t1 - час протягом якого через обмотку протікає струм трикутної форми, мкс;
   t0 - час протягом якого струм через обмотку відсутня, мкс.
   Використовуючи товстіший обмотувальний провід можна зменшити опір обмотки. У таблиці 6 наведено параметри обмотувальних дротів. Зокрема, для товстих проводів зазначено їх опір на частоті 40 кГц, досить типовою робочою частотою ІІП. Збільшення опору зі зростанням частоти обумовлено так званим скін-ефектом: на високих частотах струм, що протікає, витісняється на зовнішню поверхню дроту. Найбільш помітно скін-ефект проявляється саме для товстих проводів, що мають високе відношення площі поперечного перерізу до зовнішньої довжини поверхні перерізу проводу. Для дротів діаметром менше 0,5 мм вплив скін-ефекту на частотах до 100 кГц дуже мало. Як практичний захід боротьби зі скін-ефектом можна рекомендувати намотування в кілька проводів, причому діаметр кожного провідника бажано вибирати не більше 1 мм. Одночасно це полегшить і процес намотування, оскільки впоратися з товстими проводами не так просто. Але не слід впадати і в іншу крайність, набираючи дуже багато тонких провідників у пучок, тому що при цьому процес намотування стає надмірно складним, а виграш незначний. У ІІП, що працюють на частотах нижче 100 кГц, не дає практичних переваг і використання літцендрату, тобто дроти заводського виготовлення, що складається з пучка тонких ізольованих провідників у загальному шовковому обплетенні, який призначений для радіочастотних ланцюгів. Знову ж таки, форма струму через обмотку повинна братися до уваги, і для більшості дроселів вплив скін-ефекту можна ігнорувати.
Неможливо збільшувати перетин обмотувальних проводів безмежно, інакше обмотку не вдасться розмістити на сердечнику. У такому разі необхідно використовувати сердечник більшого розміру. Більший осердя матиме більший розмір вікна для намотування дроту і, як правило, більшу величину AL. Отже, треба буде намотати менше витків, щоб отримати ту саму індуктивність. Менше витків — менший потік магнітної індукції у сердечнику, отже, можна зменшити і величину зазору (у разі, коли зазор необхідний). Це збільшить еквівалентну магнітну проникність осердя і дасть ще більшу величину AL і т.д. Зворотне теж вірно: якщо сердечник занадто великий, то дроти знадобиться небагато, але габарити та вартість КІ виявляться високими.
   Взагалі, ступінь заповнення сердечника дротом може бути непоганою непрямою ознакою якості конструювання трансформатора або дроселя. Якщо сердечник заповнений дротом менш ніж наполовину, то, швидше за все, це свідчить про те, що конструкція КИ далека від оптимальної.

   Трансформатори

   Еквівалентна схема трансформатора наведена на малюнку 1. Без урахування омічного опору обмоток і втрат у сердечнику трансформатор може бути представлений у вигляді індуктивності первинної обмотки L, індуктивності розсіювання Ls, ємності первинної обмотки C1 та наведеної ємності вторинної обмотки.
   Коли трансформатор використовується для прямої передачі енергії з первинної обмотки у вторинну, його прагнуть сконструювати таким чином, щоб L мала максимально можливу величину. Взагалі, індуктивність L не відіграє жодної «позитивної» ролі в таких випадках. Збільшуючи індуктивність, цим зменшують власний струм КІ, що робить її «менш помітною» для схеми. Велика індуктивність має більший реактивний опір і меншою мірою шунтує імпульси, що передаються через трансформатор. Намагнічування сердечника трансформатора відбувається лише тим струмом, який відгалужується на індуктивність первинної обмотки. Електрична енергія в трансформаторі передається з первинної обмотки у вторинну безпосередньо, як би минаючи сердечник і не намагнічуючи його. Відповідно, навіть порівняно малі трансформатори здатні передавати значну потужність у навантаження, якщо вони мають велику індуктивність первинної обмотки та малі втрати у дротах.
Щоб отримати найбільшу індуктивність первинної обмотки, для трансформаторів використовують сердечники без зазору та магнітні матеріали з високою проникністю.

                                                                                           
   Це забезпечує максимальні величини AL осердя. Крім того, трансформатори, як правило, повинні мати порівняно велику кількість витків у первинній обмотці. Однак деякі схеми управління ІІП працюють у режимі 'жорсткого старту' в момент включення живлення, при цьому тривалість імпульсів може бути набагато більшою, ніж у робочому режимі. В результаті, при запуску ІІП сердечник без проміжку входить у насичення, силові транзистори можуть вийти з ладу, а робота ланцюгів зворотного зв'язку ІІП порушується. Простим вирішенням проблеми «жорсткого старту» може бути введення невеликого зазору в сердечник трансформатора. Однак у жодному разі слід розглядати таке рішення як універсальне, оскільки зазор, допомагаючи при старті, у нормальному режимі викликає додаткові втрати у міді обмоток й у силових ключах ИИП. Добре сконструйована схема управління забезпечить «м'який старт» та дозволить ІІП надійно працювати без зазорів у сердечнику.
Вихідні стадії розрахунку трансформаторів докладно висвітлено у літературних джерелах. Отримане в результаті таких розрахунків значення мінімальної необхідної індуктивності первинної обмотки слід використовувати при створенні трансформатора на основі викладеної вище для КІ методики, тобто вибрати з таблиці сердечник, розрахувати необхідну кількість витків за формулою (7) і вибрати намоткові дроти для первинної та вторинної обмоток.
  Після цього слід перевірити, чи не входить сердечник до насичення. Знаючи величину індуктивності, максимальну тривалість імпульсу та максимальну робочу напругу первинної обмотки, можна обчислити максимальний струм через індуктивність первинної обмотки ІІП (струм магнетизації):

                                                                      
   де U – напруга на первинній обмотці. В;
    t – тривалість імпульсу, мкс;
   L – індуктивність первинної обмотки, мкГн.
   Підставляючи отримане значення вираз (8), знаходимо величину щільності потоку магнітної індукції в сердечнику. Як зазначалося вище, для феритів вона повинна перевищувати ЗООмТ.
Вираз (14) можна перетворити таким чином, щоб визначити необхідну величину індуктивності первинної обмотки при заданому струмі магнетизації:

                                                                          
   де U - напруга на КІ, В;
  t – тривалість імпульсу, мкс;
  I - Струм через КІ, А.
 

 

        Втрати у сердечнику

   Однак недостатньо лише уникнути насичення сердечника. Це необхідна умова нормальної працездатності КІ, але також слід забезпечити прийнятний рівень втрат у матеріалі сердечника («втрати в залозі»).
  Жодний магнітний матеріал не є ідеальним. Деякі ферити мають відносно низький питомий опір, що спричиняє втрати за рахунок вихрових струмів у сердечнику. Крім того, при перемагнічуванні магнітний матеріал не повертається точно у вихідний стан, крива намагніченості завжди має петлю гістерези. Тому в кожному циклі роботи сердечник відбирає частину енергії ІІП та перетворює її на тепло. Чим менше ширина петлі гістерези, тим менше втрати в магнітному матеріалі.
   Одночасно, чим менша частота роботи ІІП, тим менше циклів перемагнічування і менше втрат. Крім того, чим менше об'єм сердечника тим менша сума втрат у ньому при тій же амплітуді зміни магнітного поля.
Ширина петлі гістерези залежить від марки матеріалу, а також від амплітуди зміни потоку магнітної індукції в сердечнику. Для дроселів, що працюють при великих, але переважно постійних струмах обмотки, втратами в осерді часто можна знехтувати. Магнітне поле сердечника у таких дроселів майже постійне, а перемагнічування відбувається по так званій приватній петлі гістерези, що має малу площу і, відповідно, малі втрати.
Однак це вірно не завжди і, наприклад, деякі найпростіші схеми понижуючих перетворювачів перемагнічують сердечник свого дроселя за великим циклом, від нуля до амплітудного значення. Для трансформаторів потік магнітної індукції змінюється або від нуля до амплітудного значення (однотактні перетворювачі), або від негативного до позитивного амплітудного значення (двотактні перетворювачі). У разі втрати в ферриті може бути дуже великі. Мені зустрічалися невдалі конструкції трансформаторів, у яких за тривалої роботи пластиковий каркас обмотки розплавлявся через нагрівання фериту.

   Олексій Кузнєцов

  До списку статей

Всього коментарів: 1

  • Григорий М
    Автор: Григорій М Додано Жовтень 4, 2020 о 21:53

    Дуже дякую Олексію за цей матеріал. Мені допоміг у розумінні величини AL – коефіцієнта індуктивності. Були складнощі при розрахунку узгоджувальних трансформаторів на КВ (1-30МГц). Тепер усе досить просто — дізнатися про АL наявного сердечника легко через індуктивність, яку вимірюю приладом. А знаючи потрібну мені індуктивність L, тепер через AL я можу обчислити кількість витків обмотки. Дякую ще раз!

    Відповісти

Залишити коментар

Ваш email не буде опубліковано.

ru_RURU