Импульсный трансформатор — виды, принцип работы, формулы для расчета

Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) — важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:

• стержневом;

  

• броневом;

  

• тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник);

  

• бронестержневом;

  

На рисунках обозначены:

• A — магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
• В — катушка из изолирующего материала
• С — провода, создающие индуктивную связь.

Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.

Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.

Принцип работы

Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е_(t), временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала t_u, после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t_u).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ_p=L₀/R_н

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В_max — В_r

• В_max – уровень максимального значения индукции;
• В_r –остаточный.

Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U₂, в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i_u).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t_u остается неизменным, его значение е_t=U_m. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

при этом:

• Ψ — параметр потокосцепления;
• S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.

Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром t_u , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы  умножить на t_u. В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

U_m x t_u=S x W₁ x ∆В

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, — перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и  магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:

• L₀ — перепад индукции;
• µ_а — магнитная проницаемость сердечника;
• W₁ — число витков первичной обмотки;
• S — площадь сечения сердечника;
• l_cр — длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
• В_r — величина остаточной индукции;
• В_max – уровень максимального значения индукции.
• H_m — Напряженность магнитного поля (максимальная).

Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µ_а, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра В_r, отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора
https://www.youtube.com/watch?time_continue=13&v=XYxKfYd8Elk

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ . Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений.  В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.

В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой:  Р=1,3 х Р_н.

Значение Р_н отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Р_гб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:

Необходимые для вычисления параметры:

• S_c – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
• S₀ – площадь его окна (как наитии это  и предыдущее значение показано на рисунке);

 

• В_макс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
• f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.

Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина U_I определяется выражением:

U_I=U/2-U_э ( U – питающее преобразователь напряжение; U_э— уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:

Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

Осталось рассчитать выходную обмотку ИТ, а именно, количество витков провода и его диаметр:

Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.

Использованная литература

• Вдовин С. С. «Проектирование импульсных трансформаторов» 1991
• П.Н. Матханов «Расчет импульсных трансформаторов» 1980
• Хныков А.В. «Теория и расчет трансформаторов» 2004
• Бартош А.И. «Электрика для любознательных» 2019