Конструювання трансформатора.

Перший крок – визначимо схему розташування обмоток. У мережевих джерелах живлення завжди кладуть спочатку первинну обмотку, і цьому є кілька причин. Первинна обмотка найчастіше мотається набагато більш тонким проводом ніж вторинна, тому втрати в ній від протікання змінного струму (ефект близькості) найчастіше можна вважати дуже низькими. В феритовому сердечнику з зазором в центральному керні в зазорі сконцентровано потужне магнітне поле, що викликає в довколишніх витках вихрові струми. Відповідно, коли ближче всього до зазору розташовується тонка обмотка, шкода від цього ефекту мінімальна. Крім того, в цьому випадку отримуємо суттєвий виграш від різкого зниження втрат в пасивному шарі.

Оскільки обмотки звортноходового трансформатора працюють по черзі, тобто не буває випадку, коли струм протікає одночасно і через первинну, і через вторинну обмотку, все магнітне поле сконцентровано або всередині первинної обмотки (на прямому ходу), або всередині вторинної обмотки – у цьому випадку в поле потрапляє і первинна обмотка. Відповідно, як пасивний шар працює тільки первинна обмотка, і за рахунок малої її товщини додаткові втрати в ній практично відсутні.

Наступна причина розташування первинної обмотки всередині – вимоги електробезпеки – необхідно забезпечити мінімальний шлях витоку між ланцюгами, пов'язаними з мережею, і сердечником трансформатора в 6мм. Якщо первинна обмотка розташовується зверху, набагато складніше забезпечити її надійну ізоляцію від сердечника у відповідності зі стандартом.

Обмотка живлення ШІМ-контролера (Т _{1- В} на нашій схемі) звичайно розташовується над первинною обмоткою – це розумний компроміс між вимогами безпеки та найкращим магнітним зв'язком з вихідною обмоткою. Остання вимога дуже істотна для забезпечення стабільної напруги живлення контролера і коректного відпрацювання режиму перевантаження і короткого замикання.

Отже, обмотки розташовуються в наступній послідовності: первинна обмотка (Т _{1- А} ) – обмотка живлення контролера (Т _{1- В} ) – вторинна обмотка (Т _{1- С} ). Якщо потрібно кілька вихідних напруг, всі вихідні обмотки все одно будуть розташовуватися «зверху».

Для забезпечення мінімально допустимого шляху витоку в 6мм відповідно до стандарту електробезпеки, будемо використовувати трьохміліметрові бандажі з кожного боку вікна каркаса. На виводи всіх обмоток необхідно одягнути ізоляційні трубочки – безпосередньо від останнього витка обмотки до виведення трансформатора. Це знову ж необхідно для забезпечення необхідного мінімального шляху витоку. Схематичний розріз трансформатора наведено на рис. 10.

Рис. 10. Схематичний розріз трансформатора.

Другий крок – розрахунок обмоток та втрат в них.

Дуже важливо мотати первинну обмотку мережевого флайбека в один шар. Це пов'язано з дуже сильним впливом межобмоточної/міжвіткової ємності на ефективність перетворювача в цілому, оскільки в будь-якому випадку паразитна ємність перезаряджається через силовий ключ на велику напругу. І цей ефект вельми і вельми значний.

В якості прикладу розглянемо два однакових трансформатора, що відрізняються тільки конфігурацією первинної обмотки.

Первинна обмотка трансформатора № 1 намотана в один шар проводом діаметру 0.19мм, а у трансформатора № 2 – у два шари в два таких же дроти. Індуктивність первинної обмотки в обох випадках однакова і дорівнює 0.94mH.

Обидва трансформатора по черзі впаювались в одну і ту ж друковану плату і тестувалися при ідентичних умовах.

На рис. 11 показана напруга на стоці силового транзистора для трансформатора № 1, а на рис. 12 – для трансформатора № 2. Показані періоди паразитних коливань контуру, утвореного індуктивністю намагнічування трансформатора та еквівалентною ємністю трансформатора і ключа. Величини цих ємностей легко розрахувати: для трансформатора № 1 вона складає 37pF, для трансформатора № 2 – 111pF. В результаті при вихідній потужності 24W ККД джерела в першому випадку складає 83.0%, у другому – 79.6%. Тобто в другому випадку ми додатково втрачаємо 1.23W в силовому ключі, перезаряджаючи додаткову паразитну ємність трансформатора.

Крім того, підвищена паразитна ємність трансформатора буде викликати великий імпульсний струм при відкриванні силового ключа, що викликає неприємні електромагнітні перешкоди.

Ізоляцію між обмотками будемо вести поліестерної плівкою 3М 1350F-1 товщиною 0,0254 мм. У відповідності зі стандартом ми повинні прокласти не менше двох шарів такої плівки між первинною і вторинною сторонами. Між первинною обмоткою і обмоткою живлення контролера достатньо буде одного шару.

Рис. 11. Напруга на стоці силового Рис. 12. Напруга на стоці силового

транзистора для трансформатора № 1 транзистора для трансформатора № 2

Для розрахунку первинної обмотки виберемо дріт. Вільний простір на каркасі складає 16.4мм - 2*3мм = 10.4мм. Діаметр дроту з ізоляцією – 10.4мм / 70 витків = 0.15, відповідний дріт (з запасом на нещільну укладку) ПЭТВ-0.11 (AWG37) с питомим опором 1.7Ω/м.

Середня довжина витка першого шару, враховуючи геометричні розміри каркаса, буде рівною 34.4мм. Відповідний опір обмотки буде 4.1Ω (ефектом близькості знехтуємо). Втрати в первинній обмотці при 25°С будуть

,

а при 100°С – 293mW.

При обмотці живлення контролера опір обмотки не важливий, тому мотаємо тим же дротом, що і первинну обмотку, розподіляючи 6 витків рівномірно по каркасу.

Перед розрахунком вторинної обмотки необхідно привести деякі дані по визначенню опору обмоток змінному струму з врахуванням ефекту близькості – при невеликих напругах товщина дроту стає достатньо великою, і вже не можна нехтувати втратами на вихрові струми.

Глибина проникнення високочастотного струму в провідник: .

Вводимо параметр Q – відношення ефективної товщини шару до глибини проникнення. Ефективна товщина шару для фольги або плоскої шини дорівнює їх товщині, а для щільно укладених круглих провідників – 0.83 від діаметра дроту. Після цього за графіком на рис. 13 знаходимо відношення опору провідника змінному струму заданої частоти до опору постійному струму R_AC / R_DC. Втрати в провіднику будуть складатися з добутків квадрату постійної складової струму I_DC на опір провідника постійному струму R_DC, і квадрату змінної складової струму I_AC на опір R_AC.

Рис. 13.

Для вторинної обмотки:

.

Спочатку зробимо розрахунок для двох шарів. Довжина витка при цьому буде близько 38мм. У кожному шарі ми не можемо покласти нецілу кількість витків (теоретично можливо, але на практиці ні), тому будемо вважати, що в кожному шарі буде розташовуватися по три витки. Отже, сумарна товщина дроту буде 10.4мм / 3 = 3.47мм. У першому наближенні виберемо такий дріт, що б втрати в ньому від протікання змінного струму частотою 100kHz були в півтора рази більше втрат від постійного струму. Для двох шарів відповідна товщина шару буде 0.24мм, що відповідає діаметру дроту 0.29мм.

Відповідно, діаметр дроту ПЕТВ-0.29 (AWG29) з ізоляцією складе 0.34мм, і вкладеться 10 проводів. Мотати таку обмотку незручно, тому обчислимо опір для 10 проводів діаметру 0.29 і меншої кількості проводів більшого діаметру (табл. 1).

Таблиця 1

Дріт	RDC	PDC	RAC/RDC	RAC	PAC	R Σ
10*Ø0.29	5.1 mΩ	26.2 mW	1.5	7.65 mΩ	98 mW	124 mW
8*Ø0.36	4.0 mΩ	20.4 mW	1.8	7.2 mΩ	92.3 mW	113 mW
6*Ø0.45	3.5 mΩ	18 mW	3.5	12.2 mΩ	157 mW	175 mW
4*Ø0.72	2.0 mΩ	10.3 mW	8.0	16.0 mΩ	205 mW	215 mW

Видно, що оптимально виконати вторинну обмотку в 8 проводів з діаметром 0.36мм. На жаль, це може виявитися не технологічно при масовому виробництві (і, відповідно, дорого), і тут треба оцінювати можливості моткового виробництва і важливість збереження втрат на мінімальному рівні.

Можна додатково розглянути варіант намотування вторинної обмотки в один шар. Аналогічно порахуємо втрати в цьому випадку (табл. 2).

Таблиця 2

Дріт	RDC	PDC	RAC/RDC	RAC	PAC	R Σ
6*Ø0.31	48 mΩ	247 mW	1.1	53 mΩ	677 mW	924 mW
4*Ø0.33	32 mΩ	161 mW	1.6	51 mΩ	656 mW	817 mW
2*Ø0.93	16 mΩ	82 mW	2.8	45 mΩ	577 mW	659 mW

Намотування вторинної обмотки в два шари себе виправдовує – різниця у втратах в рази.

У нашому прикладі вторинна обмотка в 8 проводів Ø0.36мм. Втрати у вторинній обмотці складуть 113mW при температурі 25°С і 142mW при 100°С.

Загальні втрати в трансформаторі зведені в табл. 3.

Таблиця 3

	Втрати при 25°С	Втрати при 100°С
Сердечник	430 mW	166 mW
Первинна обмотка	217 mW	293 mW
Вторинна обмотка	113 mW	142 mW
Загальні	760 mW	601 mW

Можна грубо оцінити температуру перегріву трансформатора за умови природної конвекції. Оскільки сердечник і обмотки розділені каркасом, дуже погано проводять тепло, логічно порахувати окремо перегрів осердя і перегрів обмоток. Площа відкритої частини осердя становить приблизно 15cm², і його перегрів щодо навколишнього середовища розраховується за формулою:

.

Площа відкритої частини обмоток приблизно 7cm², і їх перегрів:

.

Зробивши аналогічний розрахунок для сердечника з меншим зазором, відповідному 250nH/Віток ², отримаємо наступний результат:

- первинна обмотка: 56 витків дроту ПЕТВ-0.14 (AWG35);

- обмотка живлення: 5 витків;

- вторинна обмотка: 4 витка в 10 проводів ПЕТВ-0.40 (AWG26).

Загальні втрати в трансформаторі для цього варіанту зведені в табл. 4.

Таблиця 4

	Втрати при 25°С	Втрати при 100°С
Сердечник	660 mW	230 mW
Первинна обмотка	111 mW	148 mW
Вторинна обмотка	87 mW	116 mW
Загальні	858 mW	494 mW

Видно, що в порівнянні з першим варіантом ми маємо великі втрати при низькій температурі, і менші при високій – але технологічність і запас по індукції другого трансформатора гірше. Тому зупинимося на варіанті 1.

Дата добавления: 2015-07-10