(СПРОЩЕНИЙ РОЗРАХУНОК)
1. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ
З усього різноманіття магнітних матеріалів зупинимося на магніто-м'яких феритах, т.к. вони здатні працювати в широкому діапазоні як частот (від сотень Гц до сотень кГц), так і температур (від -60 ° С до +155 ° С не більше).
Слід зазначити, що на частотах нижче 10 кГц габарити електромагнітних елементів виявляються завищеними, що визначає обмеження застосування. 
Феріти мають великий, питомий опір, отже і нехтують малі втрати на вихрові струми. Проте втрати на перемагнічуванні, пов'язані з «в'язкістю» матеріалу, є значними і досягають 3…5%. Тому ККД трансформаторів зазвичай лежить у межах 0,95. ..0,97.
З останніх розробок найбільш перспективними є ферити марок 2500НМС1 і 2500НМС2 як такі, що мають, на відміну від інших марок, негативну температурну залежність втрат. Застосування фериту марки М2500НМС2 дозволяє зменшити масу на 8% та габарити на 15%, а при збереженні колишніх типорозмірів – збільшити потужність на 20%.
Феріти 2500НМС1 і 3000НМС мають малими значеннями втрат у сильних магнітних полях у діапазоні частот, прийнятих у телевізійній техніці, підвищеної магнітної індукцією при високих температурах навколишнього середовища та при підмагнічуванні. Феритові сердечники використовуються, як правило, відносно слабких магнітних полях напруженістю не більше 10 А/см. У сфері середніх полів (до Нт включно) зі зростанням індукції зростає і проникність, що зумовлює повільне зростання втрат. При переході в область сильних полів проникність починає зменшуватися і не компенсує зростання індукції, унаслідок чого втрати різко зростають. З цього випливає, що величина Вт є максимально допустимою індукцією для будь-якого фериту.
Залишкова індукція Вг у сильних полях (понад Вт) може становити 0,3…0,6 індукції насичення Bs.
Індукція насичення, діапазон робочих частот та температури навколишнього середовища для деяких марок фериту наведені у табл. 1.
Крапка Кюрі обирається фериту повинна перевищувати Максимальну робочу температуру щонайменше ніж 30…40 0 З. Індукція Вт є максимально допустимою, т.к. перехід у область сильніших полів призводить до різкого зростання втрат. На рис. 1 показана залежність магнітної індукцій для матеріалу 2500НМС від напруженості та температури. Аналогічна залежність для матеріалу 1500НМЗ показано на рис.2
Залежність магнітної проникності від напруженості магнітного поля, викликаного постійним підмагнічуванням струмом, для різних матеріалів показана на рис.3 [1].
Вплив повітряного зазору на магнітну проникність показано на рис.4.
Напруженість магнітного поля трансформатора з підмагнічуванням постійним струмом визначається:
Н = Iо*n/Lm, А/см (1)
де Iо - сила постійного струму, А;
n - число витків;
Lm- Ефективне значення довжини середньої силової лінії, див. 
2. ТИПОРАЗМІРИ СЕРДЯНИКІВ І ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
З усього різноманіття зупинимося трьох основних типах: кільцевому, броньовому і Ш-образном, які показані на рис.5…7.
Здійснення мініатюризації джерел вторинного електроживлення (ІВЕП) йде шляхом підвищення частоти перетворення. Це дозволяє істотно зменшити габарити моточних виробів - трансформаторів і дроселів. Для цієї мети найкраще підходять кільцеві та броньові сердечники. Кільцеві сердечники мають певну перевагу, т.к. мають більший обмотковий простір. Для трансформаторів з накопиченням енергії (наприклад ОНПШ, див.нижче) і для дроселів з підмагнічуванням (PHI ... PHIII) броньовий сердечник краще завдяки можливості створення немагнітного зазору.
Броньовий сердечник є хорошим магнітним екраном для обмотки, що усередині нього, оскільки максимальне значення індукції Вт досягається лише у центральному перерізі, а решті сердечника вона мала. При цьому магнітні властивості фериту (насамперед магнітна проникність) досить високі, оскільки сердечник має великий запас за обсягом магнітного матеріалу. Завдяки цьому сердечник має м'якіший перехід від лінійної області до області насичення. Іноді зазор виконують не по всьому перерізу осердя, що дозволяє поліпшити властивості фериту в ширшому діапазоні навантажень. Крім того, сердечники цього типу зручно кріпити на радіатор.
Кільцевий сердечник може створювати менший рівень електромагнітного випромінювання порівняно з броньовим, але через несиметричне намотування може знадобитися його екранування.
При виконанні трансформаторів та дроселів на кільцевих магнітопроводах забезпечується найбільша магнітна проникність, зменшуються перешкоди та покращуються електромагнітні властивості, т.к. магнітне поле укладено у просторі, обмеженому обмотками. Зі зростанням частоти перетворення зростає і перевага тороїдальних сердечників. При однакових ампервітках індукція в кільцевих магнітопроводах більша, ніж у броньових, що дозволяє зменшити масу та розміри трансформатора.
Ш-подібні сердечники також поступаються кільцевим, оскільки останні мають найкращі тепловідвідні властивості завдяки більшій поверхні охолодження обмоток.
Броневі магнтопроводи застосовуються у випадках коли потрібно:
Основні геометричні параметри деяких сердечників магнітопроводів наведено у табл. 2 [2], де:
Sm - ефективне значення площі перерізу магнтопроводу;
So - площа вікна магнтопроводу;
Vm = Lm * Sm - ефективний обсяг магнтопроводу.
3. ІНДУКТИВНІСТЬ
Значення початкової індуктивності Al для деяких типорозмірів магнітопроводів наведено у табл. 3.
Значення початкової індуктивності Al та ефективної магнітної проникності залежно від величини зазору для Ш-подібних сердечників наведені у табл. 4. 
Ідуктівність котушки дорівнює L = АL*n2 (2),
звідки n=(L/AL)-2 (3).
Приклад розрахунку 1:
Сердечник Ml 500НМ К10x6x3
n = 300
L =?
Індуктивність котушки за формулою (2)
L = АL*n2= 440 * ЗАТ2 = 40 • 106 нГн = 40 мг
Приклад розрахунку 2:
Сердечник М2000НМ Ш7х7
n=10
L =?
L = 1840 * 102 = 184*103нГн = 184мкГн.
Для будь-якого іншого магнітопроводу не вказаного в таблиці, індуктивність котушки з феромагнітним сердечником, у якої практично весь потік замикається через сердечник, можна розрахувати за формулою:
(4),
звідки n=8920*
де 
= 4*3,14*10-9 Гн/см - магнітна проникність вакууму; 
- Ефективне значення початкової магнітної проникності.
Примітка При слабких змінних магнітних полях (Вm < 0,05 Тл) та відсутності підмагнічування постійним струмом ефективна магнітна проникність дорівнює початковій
, яка наводиться довідниками для кожного типорозміру сердечника (для кільцевих магнітопроводів входить до марки фериту) і вимірюється на частоті не більше 10 кГц при напруженості поля Н не більше 0,4 А/див.
З виразу випливає, що індуктивність котушки при тому самому числі витків залежить від відношення Sm/Lm, А так як зі збільшенням сердечника приблизно однаково ростуть як Sm, так і Lm, їхнє ставлення залишається приблизно постійним. Тому при тому самому числі витків індуктивності котушок, намотаних на маленькому і великому кільцях з однаковою магнітною проникністю, приблизно збігаються. Велике кільце має перевагу у тому випадку, коли потрібна велика добротність котушки.
Гранична частота матеріалу магнітопроводу, починаючи з якої необхідно секціонування обмоток: 
frp = 1000/, МГц.
Приклад розрахунку 3:
Сердечник Ml 500НМ К10x6x3
n = 300 
L =? '
Індуктивність котушки за формулою (4)
L = 1,26*10-8 *1500 *3002* 0,06 / 2,45 = 0,04 Гн = 40 мГн.
Приклад розрахунку 4:
Сердечник М2000НМ Ш7×7
n= 10
L =?
L = 1,26 • 10-8 *1490 *102 0,62/6,29 = 184 • 10-6Гн = 184 мкГн.
Як видно з прикладів 1,3 та 2,4, результати збігаються.
При збільшенні амплітуди змінного струму ефективна магнітна проникність , отже, і індуктивність котушки зростають приблизно 1,5…2раза(залежно від марки фериту і величини струму). Зі зростанням постійної складової струму, , А отже, і індуктивність котушки падають. Залежність динамічної магнітної проникності від підмагнічування показана на мал.
Введення повітряного зазору еквівалентно паралельному включенню індуктивності, обумовленої магнітним потоком у магіїтопроводі (з нелінійною вебер-амперною характеристикою – рис.9, крива 1), та потоком у зазорі (з лінійною характеристикою – рис.9, крива 2). Як показано на рис.9, крива 3 - це найбільш ефективне наближення залежності L(i) до лінійної при роботі з струмом підмагнічування, що змінюється.
де
- Величина зазору, див. В аматорських умовах це досягається розламуванням кільця на дві частини з подальшим їх склеюванням.
Найчастіше індуктивності мають бути регульованими. Для цієї мети найбільше підходять сердечники броньового типу. Початкова індуктивність залежно від величини зазору, типи підстроювальних сердечників та коефіцієнт перекриття (діапазон зміни індуктивності) для сердечників з матеріалу 1500НМ наведено в табл.5.
Для отримання стабільних у часі параметрів індуктивностей сердечники піддають старінню (впливу температури на 10... 15° З вище верхньої робочої протягом 48 годин), після чого котушки в зборі піддають циклічному впливу підвищеної (+85°С) та зниженої (-60°С ) температур – не менше п'яти циклів.
4. ТРАНСФОРМАТОРИ. ГАБАРИТНА ПОТУЖНІСТЬ МАГНІТОПРОВОДУ
Сердечник магнітопроводу трансформатора вибирають виходячи з необхідної габаритної потужності:
де Pi = Ui * Ii - потужність i-ої обмотки. Як бачимо, габаритна потужність трансформатора дорівнює напівсумі потужностей всіх обмоток (як первинних, так і вторинних). Зазвичай її приймають рівну сумі потужностей всіх навантажень. Оскільки дросель має лише одну обмотку, габаритна потужність дроселя вдвічі вища за потужність трансформатора, тобто. маса дроселя вдвічі менша за масу трансформатора при тій же електромагнітній потужності. Припустимо, що ми маємо найпростіший трансформатор з однією первинною та однією вторинною обмотками. Скористайтеся відомою формулою для ЕРС індукції: U = 4,44*f Bm*Sm *n*10-4 ,В (8) і виразом для струму обмотки:
I = jSMKM102/2n, А (9),
де Км = Sn n/So = (0,1 ... 0,35) - коефіцієнт заповнення вікна міддю; 
Sn - площа поперечного перерізу дроту, мм2; n - число витків. Перемноживши U на I, отримуємо вираз для габаритної потужності: Ргаб = UI = 4,44f BmSmSo njKM10-2 /2n = 2,2SMSofBmjKM10-2, Bт (10) Оскільки діапазон зміни індукції 
при симетричному перемагнічуванні дорівнює 2Вт, вираз (10) можна переписати в наступному вигляді: Ргаб = SmSo f jKm10-2 , Вт (11) З формули випливає, що за інших рівних умов чим вище Км, тим вище коефіцієнт використання даного магнітопроводу за потужністю. З цією метою іноді використовують дріт прямокутного перерізу, а котушки виконують безкаркасними, що дозволяє довести Км до 0,7 проти звичайного 0,5. Крім того, плоскі дроти мають менший поверхневий ефект (ефект витіснення струму). Для вибору магнітопроводу зручно користуватися твором SoSm, що характеризує електромагнітну потужність: 
(12), де - Діапазон зміни магнітної індукції в сердечнику за час дії імпульсу tn. Тл (рис.10); = 2Bm <l,2Bs — для двухтактного преобразователя;
= (0,5 ... 0,75) Вт - для магнітопроводів одно-тактних перетворювачів напруги (ОПН) і дроселів із зазором; 
= Bm-Br = 0,25Bm - для дроселів LC-фільтрів без зазору і без увімкненого діода;
Км = 0,15 для кільцевого магнітопроводу;
Км = 0,25 ... 0,35 для інших магнітопроводів (Км для дроселів вдвічі вище, т.к. все вікно займає одна обмотка);
=0,095…0,97-ККД трансформатора. 
Однотактні перетворювачі з «прямим» включенням діода можуть працювати з , що наближається до 2Вm, якщо ввести примусове перемагнічування магнітопроводу. З формул (11) і (12) випливає, що з одного й того самого сердечника в двотактному перетворювачі можна зняти потужність в 3...4 рази більше, ніж в однотактному, тому що, по-перше, більш ніж удвічі вище значення , а по-друге, введення зазору через зниження магнітної проникності вимагає більшої кількості витків обмоток у тому ж обмоточному просторі. Тому однотактні перетворювачі з «зворотним» включенням діода застосовуються порівняно простих і малопотужних стабілізованих ІВЕП (до 100 Вт), коли потрібна хороша фільтрація пульсацій напруги первинного джерела, а навантаження носить характер, що змінюється. 
Однотактні перетворювачі з «прямим» включенням діода хоч і допускають роботу з великим , застосовуються при потужності навантаження як правило не більше 350 Вт. Двотактна напівмостова схема застосовується зазвичай до 700 Вт, понад 700 Вт - двотактна бруківка. Рекомендоване значення з урахуванням зміни петлі перемагнічування в однотактному режимі наведено у табл. 6. Площа поперечного перерізу дроту Sn = Iэ/jN мм2 (13) Поряд з цим Sn = 3,14d2/4 (14) Вирішуючи рівняння 13 і 14 щодо d отримаємо d =1,13*(Iэ/ jN)-2 (15) де Iе - ефективне значення струму, А; j - щільність струму, А/мм2; N - кількість паралельно з'єднаних проводів; d - Діаметр дроту, мм. Щільність струму j в обмотках трансформатора вибирають відповідно до табл. 7 або 8. Для спрощення вибору кільцевого магнітопроводу з матеріалу М2000НМ зручно користуватися орієнтовними даними, наведеними в табл. 9. Однією з основних вимог до електричних параметрів трансформаторів є зниження до деякого рівня індуктивності розсіювання Ls, від якої залежить коефіцієнт магнітного зв'язку між обмотками і відповідно коефіцієнт передачі і ККД трансформатора. Kmc = (L1 *Ls)/L1 . Забезпечення хорошого магнітного зв'язку між первинними та вторинними обмотками трансформаторів при низьких рівнях вихідних напруг утруднено внаслідок суттєвої різниці у кількості витків обмоток. Індуктивність розсіювання можна зменшити розбивкою первинної обмотки на частини, одна з яких мотається в нижньому шарі, а друга — у верхньому, після вторинної. Ще кращі результати можна отримати, якщо намотати первинну і вторинну обмотки спільно, для чого первинну обмотку розбивають на кілька обмоток з числом витків, рівним числу витків вторинної обмотки, які потім з'єднують послідовно. закорочування обмоток на сердечник гострі кромки магнітопроводу слід притупити. Для збільшення потокозчеплення витки обмоток слід розташовувати в один ряд, впритул один до одного. Обмотки, між якими необхідно отримати хороше потокозчеплення, повинні бути відокремлені один від одного мінімально необхідною ізоляцією і витки однієї повинні розташовуватися над витками іншої на тій же ділянці намотування. Якщо обмотки значно відрізняються числом витків, доцільно малу обмотку мотати двома чи кількома паралельними дроти. Первинна обмотка розбита на три секції, намотані безкаркасним методом та ізольовані фторопластовою стрічкою. Вторинна обмотка є чотири об'ємні двовиткові секції, штамповані з листової міді товщиною 0,5 мм у вигляді кілець, розрізані і спаяні між собою і також ізольовані фторопластової стрічкою. Секції первинної обмотки розміщені між вторинними секціями, а між ними вкладені кільцеві електростатичні екрани з тонкої мідної фольги. Сердечник трансформатора СБ48 затиснутий між двома радіаторами. Застосування такого способу виконання обмоток дозволило отримати індуктивність розсіювання, що становить 5% від індуктивності первинної обмотки.
А.Петров Могильов
Всього коментарів: 0