Чем отличается импульсный трансформатор от обычного

Чем отличается импульсный трансформатор от обычного

При выборе источника питания всегда существует определенная цель его прямого предназначения для того или иного применения.
Существуют два типа источников питания – импульсные и трансформаторные.
Конечно, если мы пришли в магазин для необходимости приобрести заведомо нужную и уже конкретную модель блока питания, мы без колебания находим и покупаем то, что нам надо.

Александр Русу, Одесса

Схем импульсных преобразователей электрической энергии очень много. Понижающая, повышающая, инвертирующая, прямоходовая, обратноходовая, с выводом средней точки трансформатора (Push-Pull), полумостовая, мостовая и даже «косомостовая» (двухтранзисторная) – в них можно легко потеряться и «утонуть» даже опытному специалисту, не говоря уже о новичках. При этом все они решают одну и ту же задачу – преобразование напряжения одной величины в одно или несколько напряжений другого уровня. Кроме этого, иногда они еще обеспечивают и гальваническую развязку – электрическую изоляцию входных цепей от выходных. Но зачем так много схем? Неужели нельзя придумать одно универсальное решение, которое можно было бы использовать в любых ситуациях?

К сожалению, нельзя. Хотя бы потому, что кроме коэффициента передачи по напряжению и существования гальванической развязки, импульсный преобразователь имеет еще несколько параметров, основными из которых являются габариты, масса, КПД и стоимость. И тут уже на первый план выходит конкретная задача, которая стоит перед разработчиком. В одних случаях преобразователь должен быть компактным и легким, в других – дешевым, а в третьих – иметь максимальный КПД.

Области применения и принципы работы всех без исключения популярных схем преобразователей очень хорошо описаны в технической литературе. Но вот почему эти схемы имеют именно такой вид? Есть ли для разработчика «возможности маневра» – нестандартной модификации схемы для еще лучшего решения поставленной задачи? Для ответов на эти вопросы необходимо досконально разбираться в сложной взаимосвязи технических характеристик и энергетических процессов, происходящих при импульсном преобразовании электрической энергии, а это, к сожалению, не так просто.

Рассмотрим, например, компьютерный блок питания АТХ (Рисунок 1). В нем переменное напряжение сети преобразуется входным выпрямителем в постоянное величиной около 300 В. Потом из него двумя импульсными DC-DC преобразователями формируются постоянные напряжения необходимых уровней, основными из которых являются +5 В и +12 В. (Предвидя возможную критику, сразу обращаю внимание читателей, что эта статья не о компьютерных блоках питания, поэтому структурная схема очень упрощена).

Рисунок 1. Очень упрощенная структурная схема блока питания ATX.

Почему используются два преобразователя – понятно интуитивно: преобразователь дежурного режима питает схемы компьютера, которые должны работать круглосуточно, например, сетевую плату с возможностью дистанционного управления, а основной преобразователь – только тогда, когда это необходимо. Но почему преобразователь дежурного режима построен по простой обратноходовой схеме, а основной – по более сложной, например, полумостовой? Обе схемы преобразуют входное постоянное напряжение 300 В в 5 В и 12 В (и другие необходимые напряжения) и теоретически могут обеспечить любое количество электрически изолированных выходных каналов с любыми уровнями напряжений. Но полумостовая схема намного сложнее обратноходовой. Она содержит больше индуктивных и полупроводниковых элементов, имеет более сложную схему управления и теоретически должна быть более дорогой и менее надежной. Почему же тогда основной преобразователь в компьютерном блоке питания сделан по полумостовой, а не по обратноходовой схеме?

Ответ на этот вопрос и будет получен в этой статье, которая является первой частью своеобразного итога цикла, уже опубликованных в журнале РадиоЛоцман материалов [1 – 6]. При необходимости читатель в любой момент может с ними ознакомиться, а для желающих более основательно разобраться в сути вопроса предлагаются более «тяжелые» статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах [7, 8].

Читайте также:  Почему дымит камин в комнату

Чем отличается дроссель от трансформатора?

Я уверен, специалистам уже известно, что схема силовой части преобразователя выбирается на основе его мощности. В приведенном примере (Рисунок 1) мощность обратноходового преобразователя дежурного режима равна приблизительно 5 Вт, а вот мощность основного начинается от 200 Вт и может превышать 1 кВт для «серьезных» системных блоков. Но ведь обратноходовая схема не имеет теоретического ограничения на уровень максимальной мощности. Почему же тогда очень сложно найти обратноходовой преобразователь мощностью более 200 Вт? Давайте разбираться.

Для того чтобы изменить параметры электрической энергии, например, величину напряжения, необходимо преобразовать эту энергию в какой-нибудь другой вид, а затем снова превратить в электричество. С наименьшими потерями это можно реализовать, передав электрическую энергию через магнитное поле, и на сегодняшний день существует всего два прибора, которые позволяют это сделать наиболее просто и эффективно: дроссель и трансформатор. Эти приборы практически идентичны по своей конструкции и отличаются только режимами работы. Трансформатор пропускает энергию «сквозь себя», не накапливая ее в магнитном поле, а дроссель работает по принципу «взял-сохранил-отдал» [1]. Поэтому у трансформатора токи обмоток, связанные с первичными и вторичными цепями, протекают одновременно, а у дросселя – в разные интервалы времени.

Это приводит к тому, что трансформатор преобразует энергию непрерывно, а дроссель – порциями. Поскольку энергия, преобразуемая дросселем, должна накапливаться в магнитопроводе, его объем V должен удовлетворять условию [1]

(1)
  • SС и LСР – соответственно, площадь поперечного сечения и средняя длина магнитной линии магнитопровода;
  • μ ≈ 1.257∙10 –6 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;
  • μЭКВ – эквивалентная магнитная проницаемость магнитопровода, учитывающая все особенности его конструкции, в том числе и наличие немагнитных зазоров;
  • BMAX – максимальная индукция в магнитопроводе;
  • Р – преобразуемая мощность (чем она отличается от мощности преобразователя описано в [1]);
  • f – частота преобразования.

Однако кроме магнитопровода дроссель и трансформатор содержат еще и обмотки, которые необходимо разместить в окне площадью SО. В [6] было показано, что площадь, занимаемая обмоткой в окне, прямо пропорционально количеству витков, которое, в свою очередь, зависит от площади поперечного сечения магнитопровода SC. Площади окна и поперечного сечения настолько взаимосвязаны, что и для индуктивных элементов существуют специальные формулы, позволяющие приблизительно оценить необходимо значение произведения SСSО в зависимости от конкретной задачи. Для дросселя такая формула была получена в [6]:

(2)
  • кС, кО – соответственно, коэффициенты заполнения магнитопровода и окна активным материалом;
  • J – плотность тока в обмотках;
  • ΔВ – размах магнитной индукции;
  • к1_MAX, к2_MAX – соответственно, относительные максимальные длительности первого и второго этапов преобразования [6].

Получим аналогичную формулу для трансформаторов. Для упрощения представим, что трансформатор работает с напряжениями прямоугольной формы (Рисунок 2).

Рисунок 2. Режим работы трансформатора.

В окне трансформатора должны разместиться как минимум две обмотки с количеством витков, соответственно, N1 и N2. Необходимую площадь сечения окна можно определить по формуле

(3)

где I1, I2, J1, J2 – соответственно, действующие значения и плотности токов первичной и вторичной обмоток.

Поскольку у трансформатора токи первичной и вторичной обмоток протекают одновременно, то, согласно закону полного тока, их намагничивающие силы должны компенсировать друг друга (более подробно об этом рассказано в [4]). Считая, что ток намагничивания пренебрежимо мал по сравнению с токами, создаваемыми нагрузками, можно записать N1I1 = N2I2. Поэтому при одинаковых плотностях тока в обмотках (J1 = J2 = J) формула (3) пример вид

Читайте также:  Установка водонагревателя в ванной комнате
(4)

Из формулы (4) видно, что, также как и для дросселей, для трансформаторов площадь, занимаемая обмоткой в окне зависит от количества витков, зависящего, в свою очередь, от площади поперечного сечения магнитопровода SС [6]:

(5)

где U1 – среднее значение напряжения u1(t), приложенного к первичной обмотке в течение времени Δt и приводящее к изменению магнитной индукции на величину ΔB (Рисунок 2).

Подставив (5) в (4) получим формулу, с помощью которой можно определить минимально необходимое значение произведения SСSО для трансформатора:

(6)

При прямоугольной форме напряжений и токов (Рисунок 2) и отсутствии потерь произведение U1I1 можно считать приблизительно равным преобразуемой трансформатором мощности (P ≈ U1I1). Кроме того, время Δt, за которое магнитная индукция успевает измениться на величину ΔB, равно половине периода входного напряжения (Δt = 0.5T = 0.5/f, где f – частота работы трансформатора). Таким образом, для трансформатора, с учетом неполного заполнения магнитопровода и окна, соответственно, магнитным и проводящим материалами, минимальное значение произведения SСSО должно удовлетворять условию:

(7)

Сравнивая формулы (2) и (7) видим, что при одних и тех же условиях (равенстве коэффициентов заполнения сердечника кС и окна кО, плотности тока J, размахе магнитной индукции ΔB, рабочей частоте f и преобразуемой мощности P) для дросселя требуется магнитопровод в два раза больший, чем для трансформатора. (Скобки в формуле (2), учитывающие форму токов обмоток при работе преобразователя в граничном режиме, в лучшем случае дадут уменьшение SСSО всего на 5…10%).

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования.

Трансформаторные блоки питания

Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра. Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.


Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Достоинства трансформаторных блоков питания

● Простота в конструировании
● Высокая надежность
● Доступность составляющих компонентов
● Отсутствие паразитных радио-волновых помех (Отличия блоков питания от импульсных блоков питания, которые создают помехи в виде напряжений и токов синусоидальной формы, которые во много раз выше частоты электросети)
● Имеющиеся недостатки трансформаторных блоков питания
● Солидный вес и размеры, особенно высокомощные
● Для изготовления требуется много железа
● Компромиссное решение относительно уменьшения КПД и высокой стабильностью напряжения на выходе: для получения стабильного напряжения необходим стабилизатор, с применением которого появляются дополнительные потери.

Читайте также:  Камеры наружного наблюдения для дачи

Импульсные блоки питания

Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот.

В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы — это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока. Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.

Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки. Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном.

С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Достоинства импульсных блоков питания

● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:
● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.
● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.

Ссылка на основную публикацию
Чем обработать обувь на зиму
О том, что обувь должна храниться по определенным правилам, знают все, но не каждый эти правила соблюдает. Что нужно делать,...
Чем занимается черная металлургия
Одну из ведущих отраслей тяжелой промышленности составляют предприятия, которые занимаются добычей сырья, производством и переработкой металлов на основе железа –...
Чем запаять нержавейку в домашних условиях
Пайка нержавейки является достаточно трудоемкой процедурой, однако не вызовет особых проблем, если знать все особенности ее выполнения. Со значительно меньшим...
Чем обработать помещение от блох народными средствами
С появлением в доме блох жильцы забывают о спокойной комфортной жизни. Активно размножаясь, насекомые постепенно заполоняют все пространство. Вопреки мнению,...
Adblock detector