Calcul en ligne des bobines pour bagues en ferrite. Lite-CalcIT - calcul du transformateur d'impulsions. Comment calculer

Et pourtant j'étais invité ! Désormais, les articles seront traités plus rapidement. Au départ, je voulais faire le circuit d'un bloc comme sujet de la prochaine partie, mais pourquoi attendre ? Mais alors je me suis souvenu de ma jeunesse scolaire et du très gros problème auquel j'étais confronté - comment fabriquer un appareil qui m'était inconnu à l'époque de la bête - transformateur d'impulsions ... Dix ans se sont écoulés et je comprends que beaucoup (et pas seulement les débutants) des radioamateurs, des électroniciens et des étudiants ont de telles difficultés - ils en ont simplement peur et, par conséquent, ils essaient d'éviter les puissants sources d'impulsions nourriture (ci-après IIP).
Après ces réflexions, je suis arrivé à la conclusion que le premier sujet devait porter sur le transformateur et rien d'autre ! Je voudrais également faire une réserve : ce que j'entends par la notion de "SMPS puissant", c'est la puissance à partir de 1 kW et plus, ou dans le cas des amateurs d'au moins 500 watts.

Figure 1 - Voici un tel transformateur de 2 kW pour le pont en H, nous l'obtiendrons au final

Grande bataille ou quel matériel choisir ?

Une fois, après avoir introduit la technologie des impulsions dans mon arsenal, j'ai pensé que les transformateurs ne peuvent être fabriqués qu'en ferrite à la disposition de tous. Après avoir assemblé les premiers dessins, la première chose que j'ai décidé de les présenter à la cour de camarades plus expérimentés et très souvent j'ai entendu la phrase suivante : "Votre ferrite n'est pas la meilleure meilleur matériel pour l'impulsion "... Immédiatement, j'ai décidé de leur demander quelle sorte d'alternative pourrait lui être opposée et ils m'ont dit - alsifer ou comme on l'appelle aussi Sindast.

Pourquoi est-ce si bon et est-ce vraiment mieux que la ferrite ?

Vous devez d'abord décider ce qu'un matériau presque idéal pour un transformateur devrait être capable de faire :
1) devrait être magnétiquement doux, c'est-à-dire qu'il est facile de magnétiser et de démagnétiser :

Figure 2 - Cycles d'hystérésis des ferroaimants : 1) cycle dur, 2) cycle doux

2) le matériau doit avoir la plus grande induction de saturation possible, ce qui permettra soit de réduire les dimensions du noyau, soit d'augmenter la puissance tout en les maintenant.

Saturation

Le phénomène de saturation du transformateur est que, malgré l'augmentation du courant dans l'enroulement, Flux magnétique dans le noyau, ayant atteint une certaine valeur maximale, ne change pratiquement pas.
Dans un transformateur, le mode de saturation conduit au fait que le transfert d'énergie du primaire au secondaire est partiellement arrêté. Le fonctionnement normal du transformateur n'est possible que lorsque le flux magnétique dans son noyau change proportionnellement au changement de courant dans l'enroulement primaire. Pour remplir cette condition, il faut que le noyau ne soit pas dans un état de saturation, et cela n'est possible que lorsque son volume et sa section ne sont pas inférieurs à une valeur bien définie. Par conséquent, plus la puissance du transformateur est élevée, plus son noyau doit être gros.

3) le matériau doit avoir les pertes d'inversion de magnétisation et les courants de Foucault les plus faibles possibles

4) les propriétés du matériau ne doivent pas beaucoup changer sous des influences extérieures : forces mécaniques (compression ou traction), changements de température et d'humidité.

Considérons maintenant les propriétés de la ferrite et dans quelle mesure elle répond aux exigences ci-dessus.

La ferrite est un semi-conducteur, ce qui signifie qu'elle a sa propre haute résistance électrique... Cela signifie qu'à des fréquences élevées, les pertes par courants de Foucault (courants Foucault) sera assez faible. Il s'avère qu'au moins une des conditions de la liste ci-dessus est déjà remplie. Vas-y…
Les ferrites sont thermiquement stables et instables, mais ce paramètre n'est pas déterminant pour la SMPS. Il est important que les ferrites fonctionnent de manière stable dans la plage de température de -60 à +100 °C, et ce, pour les marques les plus simples et les moins chères.

Figure 3 - Courbe d'aimantation à une fréquence de 20 kHz à différentes températures

Et enfin, le point le plus important - sur le graphique ci-dessus, nous avons vu un paramètre qui déterminera presque tout - induction de saturation... Pour la ferrite, il est généralement pris comme 0,39 Tesla. Il vaut la peine de se rappeler que lorsque conditions différentes- ce paramètre va changer. Cela dépend à la fois de la fréquence et de la température de fonctionnement et d'autres paramètres, mais un accent particulier doit être mis sur les deux premiers.

Conclusion: ferrite nishtyak ! super pour nos tâches.

Quelques mots sur alsifer et en quoi il diffère

1) alsifer fonctionne dans une plage de températures légèrement plus large : de -60 à +120 o C - est-ce adapté ? Encore mieux que la ferrite !
2) le coefficient de perte pour l'hystérésis dans alsifer n'est constant que dans les champs faibles (à faible puissance), dans un champ puissant, ils croissent et très fortement - c'est un inconvénient très sérieux, surtout à des puissances supérieures à 2 kW, il perd donc ici.
3) induction de saturation jusqu'à 1,2T !, 4 fois plus que la ferrite ! - paramètre principal et donc ça dépasse, mais tout n'est pas si simple ... Bien sûr, cette dignité n'ira nulle part, mais le point 2 l'affaiblit et beaucoup - définitivement un plus.

Conclusion: alsifer est meilleur que ferrite, ils ne m'ont pas menti à propos de ce type.

Résultat de la bataille : Quiconque lit la description ci-dessus nous dira alsifer donne nous ! Et pour cause... mais essayer de trouver un noyau alsifer d'une puissance globale de 10 kW ? Ici, généralement, une personne se retrouve dans une impasse, il s'avère qu'elle n'est pas vraiment en vente, et s'il y en a, alors commandez directement auprès du fabricant et le prix vous fera peur.
Il s'avère qu'on utilise de la ferrite, surtout si on l'évalue dans son ensemble, alors elle perd très peu... la ferrite est estimée par rapport à l'alsifer en "8 perroquets sur 10."

Je voulais me tourner vers mon matan bien-aimé, mais j'ai décidé de ne pas le faire, parce que Je pense que +10 000 caractères pour l'article sont redondants. Je ne peux que recommander un livre avec de très bons calculs de B. Semenov, "L'électronique de puissance : du simple au complexe". Je ne vois pas l'intérêt de répéter ses calculs avec quelques ajouts.

On procède donc au calcul et à la fabrication du transformateur

Tout d'abord, je voudrais rappeler immédiatement un moment très grave - l'écart dans le noyau. Il peut « tuer » toute la puissance ou en ajouter 30 à 40 % de plus. Je veux te rappeler ce que nous faisons transformateur pour pont en H, et il fait référence aux - convertisseurs directs (forward en bourgeois). Cela signifie que l'écart doit idéalement être de 0 mm.
Une fois, alors que j'étudiais un cours pour 2-3, j'ai décidé de collectionner inverseur de soudage, s'est tourné vers la topologie des onduleurs Kemppi. Là, j'ai vu un écart de 0,15 mm dans les transformateurs. C'est devenu intéressant pour quoi il était. Je n'ai pas approché les enseignants, mais j'ai pris et appelé le bureau de représentation russe de Kemppi ! Que perdre ? A ma grande surprise, j'ai été mis en relation avec un ingénieur circuit et il m'a expliqué quelques points théoriques qui m'ont permis de « ramper » au-delà du plafond de 1 kW.
Si en bref - un écart de 0,1-0,2 mm est indispensable ! Cela augmente la vitesse de démagnétisation du noyau, ce qui permet de pomper plus de puissance à travers le transformateur. L'effet maximum d'une telle feinte avec les oreilles de l'écart atteint en topologie "Pont oblique", là l'introduction d'un écart de 0,15 mm donne une augmentation de 100% ! Dans notre pont en H cette augmentation est plus modeste, mais je pense que 40-60% n'est pas mal non plus.

Pour faire un transformateur, nous avons besoin de l'ensemble suivant :

UNE)
Figure 4 - Noyau de ferrite E70 / 33/32 en matériau 3C90 (analogue légèrement meilleur de N87)

B)
Risukok 5 - Cadre pour le noyau E70 / 33/32 (le plus gros) et starter D46 en fer pulvérisé

La puissance globale d'un tel transformateur est de 7,2 kW. Nous avons besoin d'une telle marge pour assurer des courants d'appel 6 à 7 fois supérieurs aux courants nominaux (600 % selon la spécification technique). De tels courants de démarrage ne sont vrais que pour moteurs asynchrones, mais il faut tout prendre en compte !
Soudain, un certain starter "fait surface", il sera nécessaire dans notre schéma ultérieur (jusqu'à 5 pièces) et a donc décidé de montrer comment le remonter.

Ensuite, vous devez calculer les paramètres d'enroulement. J'utilise un programme d'un ami bien connu dans certains cercles Starichok51 ... Une personne avec de grandes connaissances et toujours prête à enseigner et à aider, pour laquelle grâce à lui - en son temps, a aidé à prendre le bon chemin. Le programme s'appelle - Excellent IT 8.1 .

Je donne un exemple de calcul pour 2 kW :



Figure 6 - Calcul transformateur d'impulsions sur un circuit en pont pour élévateur de 2 kW

Comment calculer:

1) Surligné en rouge. Voici les paramètres d'entrée qui sont généralement définis par défaut :
a) induction maximale. N'oubliez pas que pour la ferrite, c'est 0,39 T, mais notre transformateur fonctionne à une fréquence suffisamment élevée, donc le programme définit lui-même 0,186. C'est l'induction de saturation dans les pires conditions, y compris le chauffage jusqu'à 125 degrés
b) la fréquence de conversion, elle est définie par nos soins et comment elle est déterminée sur le schéma sera dans les articles suivants. Cette fréquence doit être comprise entre 20 et 120 kHz. Si moins, nous entendrons la transe fonctionner et siffler, si supérieur puis nos clés (transistors) aura de grandes pertes dynamiques. Et même les commutateurs IGBT coûteux fonctionnent jusqu'à 150 kHz
c) coeff. le remplissage de la fenêtre est un paramètre important, car l'espace sur le cadre et le noyau est limité, vous ne devez pas dépasser 0,35, sinon les enroulements ne s'adapteront pas
d) densité de courant - ce paramètre peut aller jusqu'à 10 A / mm 2. C'est le courant maximum qui peut circuler dans le conducteur. La valeur optimale est de 5-6 A/mm 2 - dans des conditions de fonctionnement sévères : mauvais refroidissement, Travail à plein tempsà pleine charge et ainsi de suite. 8-10 A / mm 2 - peut être réglé si votre appareil est idéalement ventilé et que plusieurs glacières coûtent plus de 9 000.
e) nourriture à l'entrée. Parce que nous calculons le transformateur pour DC-> DC 48V à 400V, puis nous définissons la tension d'entrée comme dans le calcul. D'où vient le chiffre. Dans un état déchargé, la batterie dégage 10,5 V, une décharge supplémentaire réduira la durée de vie, multipliera par le nombre de batteries (4 pcs) et obtiendra 42 V. Prenons avec une marge de 40V. 48V est tiré du produit 12V * 4 pcs. 58V est pris en considération qu'à l'état chargé la batterie a une tension de 14,2-14,4V et, par analogie, multiplie par 4.

2) Surligné en bleu.
a) on met 400V, car c'est une réserve pour Rétroaction pour la tension et pour couper le sinus, un minimum de 342V est requis
b) courant nominal. Nous choisissons parmi considération 2400 W / 220 (230) V = 12A. Comme vous pouvez le voir, partout je fais un stock d'au moins 20%. Tout fabricant de matériel de haute qualité qui se respecte le fait. En URSS, une telle réserve était une référence de 25% même pour les conditions les plus difficiles. Pourquoi 220 (230) V est la tension à la sortie d'un sinus pur.
c) courant minimal. Sélectionné dans des conditions réelles, ce paramètre affecte la taille de la self de sortie, par conséquent, plus le courant minimum est élevé, plus la self est petite, et donc moins cher l'appareil. Encore une fois, j'ai choisi la pire option 1A, c'est un courant pour 2-3 ampoules ou 3-4 routeurs.
d) chute sur les diodes. Parce que on aura des diodes ultra-rapides en sortie, alors la chute sur celles-ci est de 0,6V dans les pires conditions (la température est dépassée).
e) diamètre du fil. J'ai acheté une fois une bobine de cuivre de 20 kg pour un tel boîtier et juste avec un diamètre de 1 mm. Ici, nous mettons celui que vous avez. Seulement je déconseille de mettre plus de 1,18 mm, tk. l'effet de peau commencera à apparaître

Effet sur la peau

Effet de peau - l'effet de diminuer l'amplitude des ondes électromagnétiques lorsqu'elles pénètrent profondément dans le milieu conducteur. En raison de cet effet, par exemple, courant alternatif la haute fréquence, lorsqu'elle traverse le conducteur, n'est pas répartie uniformément sur la section, mais principalement dans la couche de surface.
Si nous ne parlons pas comme Google, mais dans ma langue de kolkhoze, alors si nous prenons un conducteur de grande section, il ne sera pas pleinement utilisé, car des courants à une fréquence plus élevée circulent sur la surface et le centre du conducteur sera « vide »

3) Surligné en vert. Tout est simple ici - nous prévoyons d'avoir une topologie "full bridge" et de la choisir.

4) Surligné en orange. Il y a un processus de choix d'un noyau, tout est intuitif. Un grand nombre de les noyaux standard sont déjà dans la bibliothèque, comme la nôtre, mais si cela peut être ajouté en entrant les dimensions.

5) Surligné en violet. Paramètres de sortie avec calculs. J'ai surligné le coefficient dans une fenêtre séparée. remplissez la fenêtre, rappelez-vous - pas plus de 0,35, et de préférence pas plus de 0,3. Toutes les valeurs nécessaires sont également données: le nombre de tours pour les enroulements primaire et secondaire, le nombre de fils d'un diamètre préalablement spécifié dans la "tresse" pour l'enroulement.
Les paramètres pour le calcul ultérieur de la self de sortie sont également indiqués : inductance et ondulation de tension.

Vous devez maintenant calculer la self de sortie. Il est nécessaire pour lisser l'ondulation, ainsi que pour créer un courant "uniforme". Le calcul est effectué dans le programme du même auteur et il s'appelle DrosselRing 5.0... Je vais donner un calcul pour notre transformateur :



Figure 7 - Calcul de la self de sortie pour le convertisseur DC-DC boost

Dans ce calcul, tout est plus simple et plus clair, il fonctionne selon le même principe que les données de sortie : le nombre de spires et le nombre de fils dans la tresse.

Étapes de fabrication

Maintenant, nous avons toutes les données pour fabriquer un transformateur et un starter.
La règle principale de l'enroulement d'un transformateur d'impulsions est que tous les enroulements, sans exception, doivent être enroulés dans le même sens !

Étape 1:

Figure 8 - Le processus d'enroulement de l'enroulement secondaire (haute tension)

Nous enroulons sur le cadre le nombre de tours requis en 2 fils d'un diamètre de 1 mm. On se souvient du sens de l'enroulement, ou mieux, on le marque avec un marqueur sur le cadre.

Étape 2 :

Figure 9 - On isole l'enroulement secondaire

On isole l'enroulement secondaire avec un ruban fluoroplastique de 1 mm d'épaisseur, un tel isolant peut supporter au moins 1000 V. On l'imprègne également de vernis, c'est + 600 V à l'isolant. S'il n'y a pas de ruban fluoroplastique, nous l'isolons avec la fumée de plomberie habituelle en 4 à 6 couches. C'est le même fluoroplastique, seulement 150-200 microns d'épaisseur.

Étape 3 :

Figure 10 - On commence à enrouler le bobinage primaire, on soude les fils au châssis
Nous enroulons l'enroulement dans un sens avec l'enroulement secondaire !

Étape 4 :

Figure 11 - On ressort la queue du bobinage primaire

Serrez l'enroulement, isolez-le également avec du ruban adhésif fluoré. Il est également conseillé de l'imbiber de vernis.

Étape 5 :



Figure 12 - Saturer de vernis et souder la "queue". Le bobinage est terminé.
Étape 6 :

Figure 13 - Nous complétons le bobinage et l'isolation du transformateur avec du ruban de maintien avec imprégnation finale en vernis

Ruban Kiper

Ruban de maintien - tresse en coton (moins souvent en soie ou semi-soie) en tissu de maintien d'une largeur de 8 à 50 mm, sergé ou armure diagonale; durs, blanchissants ou teints unis. Le matériau du ruban est différent haute densité en raison du tissage, il est plus épais que celui de son analogue le plus proche - le ruban uni - en raison de l'utilisation de fils plus épais.
Merci Wikipédia.

Étape 7 :

Figure 14 - Il ressemble à la version finie du transformateur

Un écart de 0,15 mm est établi pendant le processus de collage en insérant un film approprié entre les moitiés du noyau. La meilleure façon- film pour impression. Le noyau est collé avec de la colle (bonne) ou une résine époxy... La 1ère option est pour des siècles, la 2ème permet, si quelque chose arrive, de démonter le transformateur sans l'endommager, par exemple, si vous avez besoin d'enrouler plus de bobinage ou d'ajouter des spires.

Bobinage de starter

Maintenant, par analogie, il faut enrouler le starter, bien sûr, l'enroulement sur le noyau toroïdal est plus difficile, mais cette option sera plus compacte. Nous avons toutes les données du programme, le matériau du noyau est du fer pulvérisé ou permalloy. L'induction de saturation pour ce matériau est de 0,55 T.

Étape 1:



Figure 15 - Enveloppez l'anneau avec du ruban adhésif fluoré

Cette opération permet d'éviter le cas avec une panne du bobinage sur le noyau, c'est rare, mais nous le faisons nous-mêmes pour la qualité !

Étape 2 :

Figure 16 - Nous enroulons le nombre de tours requis et isolons

Dans ce cas, le nombre de tours ne rentre pas dans une couche d'enroulement. Par conséquent, après avoir enroulé la première couche, il est nécessaire de polir et d'enrouler la deuxième couche, suivie de l'isolation.

Étape 3 :

Figure 17 - Isoler après la deuxième couche et imbiber de vernis

Épilogue

J'espère que mon article vous apprendra le processus de calcul et de fabrication d'un transformateur d'impulsions, ainsi que quelques concepts théoriques sur son fonctionnement et les matériaux à partir desquels il est fabriqué. J'ai essayé de ne pas alourdir cette partie de théorie inutile, tout au minimum et de me concentrer exclusivement sur des points pratiques. Et plus important encore, sur les caractéristiques clés qui affectent les performances, telles que le jeu, les directions d'enroulement, etc.
À suivre...

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Contenu:

En électronique et en génie électrique, sont largement utilisés différents types transformateurs. Cela permet d'utiliser systèmes électroniques dans de nombreux domaines de production et activité économique... Par conséquent, avec les calculs de base, le calcul d'un transformateur d'impulsions est d'une grande importance. Ces dispositifs sont des éléments importants qui sont utilisés dans tous les circuits des alimentations modernes.

But et fonctionnement d'un transformateur d'impulsions

Les transformateurs d'impulsions sont utilisés dans les systèmes de communication et divers appareils automatiques. Leur fonction principale est de modifier l'amplitude et la polarité des impulsions. La condition principale pour le fonctionnement normal de ces appareils est considérée comme la distorsion minimale des signaux qu'ils transmettent.

Le principe de fonctionnement d'un transformateur d'impulsions est le suivant: lorsque des impulsions de tension rectangulaires d'une certaine valeur arrivent à son entrée, une apparition progressive se produit dans l'enroulement primaire courant électrique et augmenter encore sa force. Cet état, à son tour, entraîne un changement champ magnétique dans l'enroulement secondaire et l'apparition d'une force électromotrice. Dans ce cas, le signal n'est pratiquement pas déformé et les petites pertes de courant n'affectent rien.

Lorsque le transformateur atteint sa puissance nominale, une partie négative de l'impulsion apparaît nécessairement. Son effet peut être minimisé en installant une simple diode dans l'enroulement secondaire. En conséquence, à cet endroit, l'impulsion se rapprochera également autant que possible de la configuration rectangulaire.

La principale différence entre un transformateur d'impulsions et d'autres systèmes techniques similaires est son mode de fonctionnement extrêmement insaturé. Pour la fabrication du noyau magnétique, un alliage spécial est utilisé, qui fournit un débit élevé du champ magnétique.

Calcul des données initiales et sélection des éléments de l'appareil

Tout d'abord, il est nécessaire de choisir correctement le circuit magnétique le plus adapté. Les conceptions universelles incluent des noyaux d'armure avec des configurations en forme de W et en forme de bol. Le réglage du jeu requis entre les pièces de noyau permet de les utiliser dans n'importe quel blocs d'impulsions nutrition. Cependant, si un convertisseur push-pull en demi-pont est en cours d'assemblage, vous pouvez vous en tirer avec un circuit magnétique annulaire conventionnel. Les calculs doivent tenir compte du diamètre de la bague extérieure (D), du diamètre de la bague intérieure (d) et de la hauteur de la bague (H).

Il existe des ouvrages de référence spéciaux pour les circuits magnétiques, où les dimensions des anneaux sont présentées au format KDxdxH.

Avant de calculer un transformateur d'impulsions, il est nécessaire d'obtenir un certain ensemble de données initiales. Vous devez d'abord décider de la tension d'alimentation. Il y a là quelques difficultés, en rapport avec les possibles. Par conséquent, pour les calculs, la valeur maximale de 220 V + 10% est prise, à laquelle des coefficients spéciaux sont appliqués:

• La valeur d'amplitude est : 242 V x 1,41 = 341,22 V.
• En outre 341,22 - 0,8 x 2 = 340 V moins la chute de tension aux bornes du redresseur.

La valeur de l'induction et de la fréquence est déterminée à l'aide de tableaux :

1. Ferrites de manganèse-zinc.

Paramètres	Nuance de ferrite

2. Les ferrites nickel-zinc.

Paramètres	Nuance de ferrite
Fréquence de coupure à tgδ ≤ 0,1, MHz
Induction magnétique B à Hm = 800 A/m, T

Enroulement de transformateur d'impulsions

Lors de l'enroulement des transformateurs d'impulsions, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques de ces appareils. Tout d'abord, vous devez faire attention à la répartition uniforme de l'enroulement sur tout le périmètre du circuit magnétique. Sinon, la puissance de l'appareil diminuera considérablement et, dans certains cas, sa défaillance.

Dans le cas de l'enroulement du fil de vos propres mains, un enroulement bobine à bobine réalisé en une seule couche est utilisé. Sur la base de tels caractéristiques techniques, le calcul du transformateur d'impulsions est également effectué en termes de détermination du nombre de spires requis. Le diamètre du fil utilisé pour l'enroulement doit être sélectionné de manière à ce que tout le fil tienne exactement dans une couche et que le nombre de tours dans ce cas coïncide avec les données calculées. La différence entre et le résultat obtenu à l'aide de la formule peut aller de 10 à 20 %, ce qui permet de faire un bobinage sans faire attention au nombre exact de tours.

Pour effectuer des calculs, il existe une formule : W = m(ré - 10 S - 4 ré) / ré, dans lequel W- est le nombre de spires de l'enroulement primaire, m- valeur constante égale à 3.1416, ré- diamètre intérieur de la bague du circuit magnétique, S- épaisseur de la bande isolante, ré- diamètre du fil isolé. La tolérance d'erreur de calcul maximale varie de -5 à + 10 %, selon la densité des fils.