Как сделать импульсный трансформатор своими руками

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Как сделать трансформатор своими руками для импульсного источника питания

Как самостоятельно собрать трансформатор

Разработка эффективной схемы источника питания – довольно сложная задача. Те, кто уже работал с цепями импульсного источника питания, легко согласятся с тем, что конструкция обратноходового трансформатора играет жизненно важную роль в разработке эффективной цепи электропитания. В большинстве случаев эти трансформаторы не доступны в продаже в том же наборе характеристик, который соответствует нашему проекту.

Таким образом, в этом уроке по проектированию трансформаторов мы узнаем, как создать собственный трансформатор в соответствии с требованиями нашей схемы. Обратите внимание, что этот урок охватывает только теорию, на основе которой позже в другом уроке мы построим импульсную схему на 5 В и 2 A с трансформатором ручной работы, как показано на рисунке выше для практической демонстрации.

Конструкция трансформатора импульсного источника питания имеет различные части трансформатора, которые непосредственно отвечают за его работу. Компоненты, представленные в трансформаторе, описаны ниже, мы узнаем важность каждого компонента и то, как он должен быть выбран для вашей конструкции трансформатора. Эти компоненты в большинстве случаев одинаковы и для других типов трансформаторов.

Сердечник трансформатора

Трансформаторы импульсного блока питания сильно зависят от частоты, на которой они работают. Высокая частота переключения открывает возможности выбора более малых трансформаторов. Эти высокочастотные трансформаторы используют ферритовые сердечники.

Конструкция сердечника трансформатора является самой важной вещью в строении трансформатора. Сердечник имеет другой тип AL (коэффициент индуктивности активной зоны), в зависимости от материала сердечника, размера сердечника и типа сердечника. Популярным типом материала сердечника являются N67, N87, N27, N26, PC47, PC95 и т. д. Кроме того, производитель ферритовых сердечников предоставляет подробные параметры в техническом описании, которые будут полезны при выборе сердечника для вашего трансформатора. Например, вот документация для популярного сердечника EE25.

Изображение выше представляет собой данные на сердечник EE25 из материала PC47 от популярного производителя сердечников TDK. Каждый бит информации будет необходим для создания трансформатора. Однако сердечники имеют прямую зависимость от выходной мощности, поэтому для различной мощности источника питания требуются разные форма и размер сердечника.

Далее представлен список сердечников в зависимости от мощности. Список основан на конструкции 0-100 Вт. Источник списка взят из документации Power Integration. Эта таблица будет полезна для выбора правильного сердечника для вашей конструкции трансформатора на основе его номинальной мощности.

Здесь термин TIW обозначает конструкцию с тройной изолированной обмоткой. Е-сердечники являются наиболее популярными и широко используются в трансформаторах импульсных источников. Тем не менее, E-сердечники имеют несколько корпусов, таких как EE, EI, EFD, ER и т. д. Все они выглядят как буква «E», но центральная часть отличается для каждого вещества. Общие типы сердечников E-вида проиллюстрированы ниже с помощью изображений.

Бобина трансформатора

Бобина – это корпус для сердечников и обмоток. Такая бобина или катушка имеет эффективную ширину, которая необходима для расчета диаметров проволоки и конструкции трансформатора. Не только это, бобина трансформатора также имеет пунктирную метку, которая обеспечивает информацию для первичных обмоток. Обычно используемая катушка трансформатора EE16 показана ниже.

Вся обмотка трансформатора будет иметь первичную обмотку и как минимум одну вторичную обмотку, в зависимости от конструкции она может иметь больше вторичной обмотки или вспомогательной обмотки. Первичная обмотка является первой и самой внутренней обмоткой трансформатора. Она напрямую связана с первичной стороной источника питания. Обычно количество обмоток на первичной стороне больше, чем на других обмотках трансформатора. Найти первичную обмотку в трансформаторе легко; нужно просто проверить точечную сторону трансформатора на предмет первичной обмотки. Как правило, она расположена на стороне высокого напряжения силового транзистора.

В схеме импульсных источников питания вы можете заметить, что имеется линия постоянного тока высокого напряжения от высоковольтного конденсатора, соединенного с первичной стороной трансформатора, а другой конец соединен с драйвером питания или с отдельным стоковым выводом MOSFET-транзистора высокого напряжения.

Вторичная обмотка преобразует напряжение и ток на первичной стороне в требуемое значение. Найти вторичный выход немного сложно, так как в некоторых конструкциях трансформатор обычно имеет несколько вторичных выходов. Однако выходная сторона или сторона низкого напряжения цепи импульсного источника питания обычно подключена к вторичной обмотке. Одна сторона вторичной обмотки постоянного тока, GND, а другая сторона подключена через выходной диод.

Существуют различные типы импульсных схем, где для схемы драйвера требуется дополнительный источник напряжения. Вспомогательная обмотка используется для подачи этого дополнительного напряжения в схему управления. Например, если ваша микросхема драйвера работает от 12 В, то у трансформатора будет вспомогательная выходная обмотка, которая может использоваться для питания этой микросхемы.

Трансформаторы не имеют электрического соединения между разными обмотками. Поэтому перед намоткой разных обмоток необходимо обмотать изоляционные ленты вокруг обмоток для разделения. Типичные полиэфирные барьерные ленты используются с различной шириной для разных типов катушек. Толщина лент должна составлять 1-2 мил для обеспечения изоляции.

Этапы проектирования трансформатора

Теперь, когда мы знаем основные элементы трансформатора, мы можем выполнить следующие шаги, чтобы спроектировать наш собственный трансформатор.

Шаг 1: Найдите правильный сердечник для желаемого результата. Выберите правильные сердечники, перечисленные в разделе выше.

Шаг 2: Выяснение количество оборотов для первичных и вторичных обмоток. Первичный и вторичный витки взаимосвязаны и зависят от других параметров. Формула конструкции трансформатора для расчета первичного и вторичного витков следующая:

Np – количество витков первичной обмотки, Ns – количество витков вторичной обмотки, Vmin – минимальное входное напряжение, Vds – напряжение сток-исток силового транзистора, Vo – выходное напряжение, Vd – выходное напряжение диодов прямого падения напряжения, Dmax – максимальная скважность.

Следовательно, первичный и вторичный витки взаимосвязаны и характеризуются коэффициентом витков. Из приведенного выше расчета можно установить соотношение, и, таким образом, путем выбора вторичных витков можно определить первичные витки. Хорошей практикой является использование 1 витка на выходное напряжение вторичной обмотки.

Шаг 3: Следующим этапом является определение первичной индуктивности трансформатора. Это можно рассчитать по приведенной ниже формуле:

P0 – выходная мощность, z – коэффициент потерь, n – КПД, fs – частота переключения, Ip – пиковый первичный ток, KRP – пульсирующее отношение тока к пиковому значению.

Шаг 4: Следующий этап – выяснить эффективную индуктивность для нужного сердечника с зазором.

Lp – первичная индуктивность, Np – количество витков первичной обмотки.

Изображение выше показывает, что такое сердечник с зазором. Создание зазаора – это методика уменьшения значения первичной индуктивности сердечника до желаемого значения. Основные производители предоставляют сердечники с зазором для желаемого показателя эффективной индуктивности. Если такое значение недоступно, можно добавить проставки между сердечниками, чтобы получить желаемое значение.

Шаг 5: Следующий шаг – выяснить диаметр первичного и вторичного проводов. Диаметр провода для первичной обмотки в миллиметрах:

Где BWe — эффективная ширина бобины, а Np – число первичных витков.

Диаметр проводника для вторичной обмотки в миллиметрах составляет:

Ns – число витков вторичной обмотки, а M – запас с обеих сторон. Провода должны быть преобразованы в стандарт AWG или SWG.

Для вторичного проводника более 26 AWG не допускается из-за усиления скин-эффекта. В таком случае могут быть сформированы параллельные провода. При параллельной намотке проводов это означает, что для намотки вторичной стороны требуется более двух проводов, диаметр каждого провода может указывать на фактическое значение одного провода для облегчения намотки на вторичной стороне трансформатора. Вот почему вы можете увидеть некоторые трансформаторы, имеющие два провода на одной катушке.

Источник

Как сделать импульсный блок питания своими руками?

Если нет желания устанавливать громоздкий трансформатор или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

1. PTC термистор любого типа.
2. Пара конденсаторов, которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
3. Диодная сборка типа «вертикалка».
4. Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
5. Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
6. Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
7. Диоды, устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

1. Паяльник и расходные материалы.
2. Отвертка и плоскогубцы.
3. Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Пошаговая инструкция

Сборка проводится согласно составленной схеме цепи. Микросхема была подобрана согласно особенностям цепи.

Сборка проводится следующим образом:

1. На входе устанавливаем PTC термистор и диодные мосты.
2. Затем, устанавливается пара конденсаторов.
3. Драйвера необходимы для регулирования работы затворов полевых транзисторов. При наличии у драйверов индекс D в конце маркировки устанавливать диод FR107 не нужно.
4. Полевые транзисторы устанавливаются без закорачивания фланцев. При проведении крепления к радиатору, используют специальные изоляционные прокладки и шайбы.
5. Трансформаторы устанавливаются с закороченными выводами.
6. На выходе диоды.

Проверка

Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

1. Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
2. При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.

Кроме этого, нелишним будет проверка всех элементов при помощи тестера на наличие высокого тока после выключения питания.

Рекомендации по сборке:

1. Как ранее было отмечено, работа импульсного блока питания основана на обратной связи. Рассматриваемая схема не требует специальной организации обратной связи и различных фильтров по питанию.
2. Особое внимание следует уделить выбору полевых транзисторов. В данном случае, рекомендуются полевые транзисторы IR, которые славятся устойчивостью к тепловому разрешению. Согласно данным производителя, они могут стабильно работать до 150 градусов Цельсия. Однако, в этой схеме они не сильно нагреваются, что можно назвать весьма важной особенностью.
3. Если нагрев транзисторов происходит постоянно, следует устанавливать активное охлаждение. Как правило, оно представлено вентилятором.

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

1. Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
2. Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
3. Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
4. Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
5. Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
6. Организация дистанционного управления.
7. Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

1. Наличие импульсных помех.
2. Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
3. Сложность самостоятельного регулирования.
4. Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
5. Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

1. Сначала происходит выпрямление входного напряжения.
2. Выпрямленное напряжение в зависимости от предназначения и особенностей всей конструкции, перенаправляется в виде прямоугольного импульса высокой частоты и подается на установленный трансформатор или фильтр, работающий с низкими частотами.
3. Трансформаторы имеют небольшие размеры и вес при использовании импульсного блока по причине того, что повышение частоты позволяет повысить эффективность их работы, а также уменьшить толщину сердечника. Кроме этого, при изготовлении сердечника может использоваться ферромагнитный материал. При низкой частоте, можно использовать только электротехническую сталь.
4. Стабилизация напряжения происходит при помощи отрицательной обратной связи. Благодаря использованию данного метода, напряжение, подаваемое к потребителю, остается неизменным, несмотря на колебание входящего напряжения, и создаваемой нагрузки.

Обратная связь может быть организована следующим образом:

1. При гальванической развязке, используется оптрон или выход обмотки трансформатора.
2. Если не нужно создавать развязку, используется резисторный делитель напряжения.

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

Стандартные блоки импульсного питания, который может использоваться, к примеру, для регулирования выходного напряжения при питании светодиодной лампы, состоит из следующих элементов:

1. Часть входная, высоковольтная. Она, как правило, представлена генератором импульсов. Ширина импульса – основной показатель, оказывающий влияние на выходной ток: чем шире показатель, тем больше напряжение, и наоборот. Импульсный трансформатор стоит на разделе входной и выходной части, проводит выделение импульса.
2. На выходной части стоит PTC термистор. Он изготавливается из полупроводника, имеет положительный показатель коэффициента температуры. Данная особенность означает, что при повышении температуры элемента выше определенного значения, значительно поднимается показатель сопротивления. Используется в качестве защитного механизма ключа.
3. Низковольтная часть. С низковольтной обмотки проводится снятие импульса, выпрямление происходит при помощи диода, а конденсатор выступает в качестве фильтрующего элемента. Диодная сборка может провести выпрямление тока до значения 10А. Следует учитывать, что конденсаторы могут быть рассчитаны на различную нагрузку. Конденсатор проводит снятие оставшихся пиков импульса.
4. Драйвера проводят гашение возникающего сопротивления в цепи питания. Драйвера во время работы проводят поочередное открытие затворов установленных транзисторов. Работа происходит с определенной частотой
5. Полевые транзисторы выбирают с учетом показателей сопротивления и максимального напряжения при открытом состоянии. При минимальном значении, сопротивления значительно повышается КПД и уменьшается нагрев во время работы.
6. Трансформатор типовой для понижения.

С учетом выбранной схемы, можно приступать к созданию блока питания рассматриваемого типа.

Источник