Завдання, яке стоїть при проектуванні силового імпульсного трансформатора, проста. Необхідно отримати пристрій мінімальних розмірів, з мінімально можливим числом витків обмотки. Але при цьому сердечник не повинен насичуватися. Ефект насичення виникає через те, що матеріал сердечника під дією магнітного поля намагничивается. Ступінь намагнічування може бути різна. Але є деяка гранична ступінь намагнічування, більше якої сердечник намагнітитися не може. Досягнення цієї величини призводить до того, що далі індуктивність котушок трансформатора різко падає, а струм через них різко зростає. Більш того, навіть наближення до цієї межі повного намагнічування вкрай небажано, так як при цьому характеристики трансформатора погіршуються, а втрати на нагрів ростуть.
Матеріал сердечників трансформатора
Нерідко вважається, що імпульсні трансформатори потрібно виконувати на ферритах. Це вірно лише частково. Багато імпульсні пристрої працюють на досить низьких частотах. Якщо частота менше 3 кГц, то однозначно виправданим вибором буде трансформаторне залізо. На частотах 3 - 7 кГц вибір не очевидний. Для частот вище 7 кГц будуть потрібні ферити. Зараз з'явилися сердечники з порошкового заліза. Вони поєднують в собі переваги фериту і трансформаторного заліза і добре показують себе на частотах до 100 кГц. Однак вони поки малодоступні.
Вашій увазі добірки матеріалів:
Теорія проектування трансформатора
Погляньмо на формули:
[Індукція, Тл] = 1.257E-3 * [Магнітна проникність сердечника] * [Сила струму, А] * [Кількість витків] / [Довжина середньої магнітної лінії сердечника, мм]
[Індуктивність. Гн] = 1.257E-9 * [Магнітна проникність сердечника] * [Площа перерізу магнітопроводу, кв. мм] * [кількість витків] ^ 2 / [Довжина середньої магнітної лінії сердечника, мм]
Індукція в цих формулах якраз і показує, наскільки буде намагнічуватися сердечник. Індукція насичення трансформаторного заліза становить 1 Тл (Тесла). Для феритів ця величина дорівнює 0.3 Тл.
Для роботи трансформатора зазвичай вибирається максимально прийнятна індукція менше, ніж індукція насичення. Для заліза береться 0.5 Тл. Для феритів 0.15 Тл при частотах до 100 кГц, 0.05 - 0.07 для більш високих частот.
[Максимально можлива сила намагнічує струму, A] = 0.25 * [Амплітудне значення напруги, В] / [Частота, Гц] / [Індуктивність, Гн]
Коефіцієнт 0.25 виникає з таких міркувань. Напруга діє на індуктивність половину періоду. Якщо сигнал симетричний, то струм зростає не з нуля, а від максимального від'ємного значення до максимального позитивного.
Ця формула вірна для симетричного меандру. Для інших симетричних сигналів сила струму намагнічування буде менше. Так що можна застосовувати цю формулу з запасом, а можна використовувати більш точну формулу:
[Максимально можлива сила намагнічує струму, A] = 0.25 * [Амплітудне значення напруги, В] * [Узагальнений коефіцієнт заповнення] / [Частота, Гц] / [Індуктивність, Гн]
Взагалі середня напруга на трансформаторі повинно завжди бути дорівнює 0. Якщо до обмотки докладено якась напруга, то обмотка обов'язково насититься. Але є схеми, де симетричне напруга на обмотці формується джерелом (бруківка, півмостова схеми джерел живлення, почасти пушпульний), а є такі, де джерело формує тільки половину напруги, а друга половина утворюється самої котушкою при розмагнічування. Прийоми розмагнічування будуть описані в окремій статті. Підпишіться на новини. щоб бути в курсі. Тут ми нагадаємо лише про одне. Сердечники без зазору дуже погано саморазмагнічіваются. Вони схильні до намагнічування і збереженню такого стану. Так що якщо розмагнічування відбувається примусово, то нам підійдуть замкнуті сердечники, якщо ж розмагнічування має відбуватися мимовільно, то знадобиться зазор.
Якщо в джерелі живлення не застосовуються спеціальні прийоми, що забезпечують симетричність напруги на трансформаторі такі як напівміст, міст з конденсатором послідовно трансформатору, то зазор теж необхідний. Наприклад, він нерідко потрібен для пушпульний топології і моста без конденсатора. У цих випадках може виникати невелика асиметрія напруги на трансформаторі за рахунок неоднакових параметрів силових ключів. Щоб її компенсувати, потрібно зробити невеликий зазор в осерді і подавати на трансформатор трохи модифікований меандр - з паузами між імпульсами тривалістю 3 - 5% від тривалості імпульсів, тобто з коефіцієнтом заповнення не більше 95% - 97%. За цей час сердечник буде встигати саморазмагнітіться. Спосіб обмеження максимального коефіцієнта заповнення.
Треба розуміти, що струм намагнічування ніяк не пов'язаний із загальним струмом через первинну обмотку трансформатора. Якщо трансформатор навантажений, то індукція від струму в первинній обмотці компенсується індукції від струмів вторинних обмоток і не намагнічує сердечник. Струм намагнічування - струм холостого ходу трансформатора.
Варто відзначити, що в типових схемах джерел живлення з нібито симетричним напругою на трансформаторі насправді в самому початку роботи і при перехідних процесах, пов'язаних зі зміною вхідної напруги або струму навантаження, напруга на трансформаторі асиметрично. Так що треба передбачати певний запас по індукції. Якщо ми виберемо рекомендовані вище значення індукції, то в моменти асиметрії сила струму намагнічування, а значить індукція, можуть бути вдвічі більше бажаних, що не перевищує індукцію насичення. Але про всяк випадок, якщо дозволяють габарити, краще вибрати максимально прийнятну індукцію ще менше. Це не тільки запобіжить насичення, але й знизить втрати на нагрів сердечника.