Застосування трансформаторів у випрямлячах

  Схема випрямляча, що використовується в більшості електронних джерел живлення, є однофазним мостовим випрямлячем з ємнісною фільтрацією, за яким зазвичай слідує лінійний регулятор напруги. Схема цього випрямляча показана нижче: (Рис.1):

  Більшість наших трансформаторів використовується у випрямлювальних схемах (Рис.1), тому ми вирішили присвятити цю статтю випрямляючим трансформаторам і дати деякі практичні поради розробникам джерел живлення.

   "Змінний струм, що подається на випрямляч, завжди дорівнює постійному струму, що споживається від випрямляча, коли струмами витоку в діодах можна знехтувати."

  Це вірно, якщо ми порівняємо середні струми (Im) на стороні змінного та постійного струму випрямляча. Але змінний струм завжди вимірюється як середньоквадратичний струм (Irms), а постійний струм завжди вимірюється як середній струм (Im). Початкова заява неправильна, якщо ми порівняємо Irms на стороні змінного струму з Im на стороні постійного струму випрямляча.

  Середньоквадратичний струм Irms завжди більший, ніж середній струм Im через пікову форму змінного струму. Якщо розділити Irms на Im, ми отримаємо величину пікового значення струму, яка називається форм-фактором. (F = Irms/Im). Чим гостріше піки, тим більше значення F.

  Нагрівальний ефект електричного струму у проводці, резисторах та обмотках трансформатора пропорційний квадрату середньоквадратичного значення струму. Нагрівальний ефект змінного струму в ланцюзі випрямляча відповідно пропорційний I_S² = (F x Im) ² = (F x I_L) ², або квадрат постійного струму, помноженого на форм-фактор F в квадраті. Підвищення температури в даному випрямляльному трансформаторі, таким чином, сильно залежить від значення форм-фактора (F), і необхідний розмір випрямного трансформатора не може бути визначений до тих пір, поки не буде відомо фактичне значення форм-фактора.

  У випрямлячі типу, показаного на малюнку 1, F має значення десь між 1,11 та 5,0 залежно від відносних значень імпедансів до та після діодного мосту. Коли ці імпеданси відомі, можна розрахувати F (і U_C) за допомогою графічних методів. Але в цей момент розробник джерела живлення зазвичай має в руці зразок трансформатора, тому U_C та I_S можуть бути визначені швидко стендовими випробуваннями. (Будьте обережні при вимірі I_S за допомогою вимірювача, що вимірює справжнє середньоквадратичне значення струму. Більшість вимірювачів змінного струму вимірюють Im, але мають градуювання I_RMS, Вважаючи, що F = 1,11, що вірно тільки для синусоїди).

Нижче описується точний та простий метод визначення форм-фактору (F) за показаннями осцилографа за допомогою графіків.

Припустимо, ми спостерігаємо форми сигналів струму та напруги у різних частинах схеми, показаної на малюнку 1, на осцилографі з електронно-променевою трубкою, щоб ми могли порівнювати форми сигналів до та після діодного мосту. На діаграмах I-III показані осцилограми для різних значень ємності конденсатора (C), припускаючи трансформатор з малою послідовною індуктивністю, наприклад тороїдальний трансформатор.

З=0 Без регулятора

С-робітник (U_r/U_c<10%) З регулятором

Бажаний ефект від конденсатора - згладжування постійної напруги, але в той же час він змушує змінний струм протікати короткими імпульсами, що означає більш високу F і вищий середньоквадратичний струм у трансформаторі. "Кут провідності" (α) випрямляча можна виміряти безпосередньо по осцилограмі - просто пам'ятайте, що повний напівперіод становить 180°.

  Відомо, що форм-фактор (F) повинен залежати від кута провідності (α). Ми вирахували точне співвідношення між F та α для тороїдальних трансформаторів, і результат показаний тут на цьому графіку. Вимірюючи кут провідності (α) на осцилографі можна визначити за графіком дуже точне значення форм-фактора (F). Зміни навантаження постійного струму змінять кут провідності, відповідні зміни у форм-факторі можна легко визначити.

Таблиця з діаграмами містить додаткову інформацію, яка може допомогти в оцінці варіантів при проектуванні джерела живлення. У коментарях до діаграм ми визначили коефіцієнт η = U_DC / ú_o, яке пов'язує напругу постійного струму з піковою напругою холостого ходу вторинної обмотки трансформатора Згладжування вершин форми хвилі змінної напруги викликане падінням напруги в загальному імпедансі перед діодним мостом, тому розумно припустити, що η повинен змінюватися залежно від кута провідності (α). Ми також розрахували це співвідношення для тороїдальних трансформаторів, і результат показаний на аркуші графіків у вигляді кривої пунктирної.

Графік можна використовувати визначення регулювання навантаження постійного струму випрямляча. Регулювання навантаження постійного струму δ_UDC /U_DC = (1-η) x 1001 TP2T. Пам'ятайте, що падіння напруги на діодах входить до значення U_DC. Кожне падіння напруги на діоді можна вважати постійним і рівним 1 при всіх навантаженнях. Відповідно, регулювання чистого навантаження трохи гірше, ніж 1-η, особливо для низьких напруг постійного струму.

Важливо відзначити, що краща ефективність перетворення напруги (вимірювана η) може бути отримана тільки за рахунок вищого форм-фактора, і, навпаки, нижчий форм-фактор може бути отриманий тільки за рахунок слабшого регулювання навантаження постійного струму.

Розмір трансформатора, що живить випрямляч, пропорційний добутку напруги холостого ходу (U₀) та поточної ємності (I_S), яку ми називаємо Po. Пунктирна лінія на аркуші графіка представляє найменше значення Po, необхідне будь-якого значення α (будь-якого відповідного значення F або η) для даної потужності постійного струму. (Po/P_DC = F/η√2).

Трансформатор має мінімальний розмір (Po) близько 1,52 x P_DC (загальна потужність постійного струму, включаючи втрати у діодах) для α = 75º, де η = 0,8 та F = 1,7. На жаль, неможливо завжди залишатися на мінімумі, частково тому, що часто потрібне краще регулювання постійного струму, ніж 20%, а частково тому, що регулювання навантаження трансформаторів залежить від розміру трансформатора. Регулювання навантаження постійного струму і регулювання навантаження трансформатора не пропорційні, але вони зазвичай збільшуються і зменшуються разом, тому дуже маленькі трансформатори зазвичай працюють при значеннях, що перевищують оптимальні, а дуже великі трансформатори працюють при менших, ніж оптимальні значення α.

Конструкція випрямного трансформатора, що відповідає особливим вимогам U_C, U_L, регулювання постійного струму, підвищення температури і т. д., вимагає точних даних як форм-фактора (F), так ефективності випрямлення (η). Але F та η у свою чергу визначаються даними ще не спроектованого трансформатора, тому проектувальник блоку живлення потрапляє у пастку. Один із виходів — взяти якийсь старий трансформатор, змінити його та помолитися, щоб прототип запрацював.

Інший вихід – дозволити інженерам компанії «Елста» зайнятися проектуванням трансформатора. Наші інженери-прикладники мають солідний досвід у проектуванні трансформаторів та джерел живлення, і в їхньому розпорядженні є інструменти для розрахунку та оптимізації трансформаторів, тому вони можуть спроектувати не лише трансформатор, який працюватиме, а й найбільш економічний трансформатор, який працюватиме ефективно.

До списку статей