leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Categories:

Транс

DSC_4353_s

Для питания своей самодельной аппаратуры использую исключительно линейные источники питания. Низковольтный ключевой стабилизатор - это еще куда ни шло. Но сетевых импульсных источников боюсь: они при макетировании и наладке взрываются, летят осколки, а я пока очков не ношу. Хотя зрение с возрастом ухудшается, видимо, скоро можно будет переходить на импульсники. Но там трудно быстро получить хорошие результаты, происходящие процессы надо чувствовать, на вхождение в тему понадобятся годы, которых может уже и не быть.

Так или иначе, главная деталь любого источника питания - это трансформатор. Только трансформаторы для импульсных и линейных источников сильно разные. В первом случае сердечник - маленький ферритовый, во втором - большой и тяжелый из электротехнической стали. Основная проблема - найти подходящий сердечник, на котором можно трансформатор намотать.



В детстве мотал на Ш-образных сердечниках от старых трансформаторов из ламповой техники. Сборка пластин производилась "вперекрышку". Помню, пластины заколачивал внутрь каркаса молотком. Как правило, последняя пластина, или даже две, не влезали. Позже появились сердечники на витых магнитопроводах, которые собирались значительно легче - там сердечник разбирался на 2 или 4 части. Даже сейчас трансформатор ТС-180 с таким сердечником не теряет популярности у радиолюбителей для перемотки. Но самым писком моды являются тороидальные трансформаторы, сердечник которых представляет кольцо, намотанное из стальной ленты. Причин несколько: не нужно разбирать/собирать сердечник; трансформатор можно включить и проверить даже в процессе намотки; не требуется каркас, найти или сделать который для сердечников обычных типов является большой проблемой; малое поле рассеяния - нет помех на чувствительные узлы аппаратуры; практически не гудят, в отличие от обычных сердечников, где легко допустить дефект сборки; имеют высокую удельную мощность. Найти такие сердечники всегда было нелегко, но, тем не менее, иногда это удавалось. Сердечники со свалки обычно не имели при себе документов, поэтому приходилось лишь догадываться, что там за материал. Определять максимальную магнитную индукцию приходилось на опыте с помощью пробной обмотки, ЛАТР-а и амперметра - точку, где ток резко загибался вверх. Удобнее находить не максимальную индукцию для данного материала, а сразу минимальное число витков на вольт для данного сердечника, что является более близкой к практике величиной.

DSC_4319_s

В настоящее время найти отдельно сердечник для тороидального трансформатора намного труднее, чем готовый трансформатор. Промышленность начала широко выпускать тороидальные трансформаторы для питания галогенных ламп. Они бывают самых разных размеров. Например, новополоцкие трансформаторы от "Юджэн" бывают мощностю от 20 до 600 Вт. К сожалению, в последние годы такие трансформаторы начали вытесняться китайскими электронными (Taschibra и подобными), найти на строительном рынке "железный" трансформатор для галогенок стало проблемой. Но заводы их продолжают выпускать, да и не только такие, еще и специализированные трансформаторы с различными выходными напряжениями, например, 24 В. Эти фирмы также могут сделать трансформатор под заказ, но для радиолюбителя это очень дорого. Значительно дешевле купить любой подходящий по мощности трансформатор и перемотать его.

Перемотка трансформатора, как и его изготовление с нуля, начинается с расчетов. Если нашелся трансформатор с готовой сетевой обмоткой, то ее обычно можно использовать. Пригодность к использованию можно определить, измерив ток холостого хода. Некоторые производители экономят медь, мотая обмотки меньше положенного. Но этого нельзя сказать о новополоцких трансформаторах - они имеют шикарный ток холостого хода. Например, ТТП-102-0,06-УХЛ4 мощностью 60 ВА при номинальном напряжении сети имеет ток холостого хода менее 5 мА. Такую первичную обмотку можно с успехом использовать.

DSC_4339_s

Расчет трансформатора всегда навевал некоторую грусть. Казалось бы, такая простая система - сердечник и две катушки. Но расчет оказывается чрезвычайно сложным, в результате используют различные приблизительные методики, подходящие только для определенного диапазона мощностей. Приблизительные расчеты трансформатора приведены во многих учебниках и реализованы в специальных программах. Первая трудность заключается в том, что при использовании готовой первички неизвестны точные параметры сердечника и самой обмотки. Вторая трудность связана с тем, что для проведения расчета необходимо сначала правильно сформулировать требования к трансформатору. Это не так просто, как может показаться.

Трансформатор для PSL-2401 довольно сложный, так как требуется получить 4 уровня напряжения для силового питания, не считая вспомогательных уровней. Для этого используются 4 обмотки, объединенные в 2 пары. Фактически, каждая пара работает как одна обмотка с отводом от середины. С помощью мостового выпрямителя получаются два одинаковых уровня напряжения (подобное решение часто используется для получения двухполярного напряжения). Для БП не имеет особого значения, как именно диапазон разбит на уровни. Их переключение происходит автоматически, когда это требуется согласно текущему выходному напряжению.

К первому уровню напряжения предъявляются дополнительные требования, так как он должен еще обеспечивать работу внутренних стабилизаторов +5 В. Минимальное падение выбранных стабилизаторов (LM1117 и LM317L) не более 2 В, поэтому при максимальном токе нагрузки первый уровень должен быть не ниже 7 В.

Самый верхний уровень должен обеспечивать на выходе БП максимальное напряжение 24 В при максимальным токе нагрузки 1 А. Минимальное падение на регулирующих MOSFET должно быть около 1 В, плюс 0.3 В на датчике тока, плюс 0.2 В на датчике тока защиты, получается минимальная разница около 1.5 В. В итоге верхний уровень при максимальном токе нагрузки должен быть не ниже 25.5 В.

Питание устройства производится от сети, а сетевое напряжение, как известно, не является стабильным. Считается, что максимальное отклонение может составлять до ±10%. Однако это сильно зависит от качества местных электросетей. В деревне отклонение может быть больше, особенно в меньшую сторону. В городских квартирах обычно сеть получше. С номинальным напряжением сети тоже в последнее время началась путаница. ГОСТ 13109-97 гласит: "После 2003 г. должен быть достигнут диапазон 230/400 В ±10%". Однако в ГОСТ также сказано, что применяется он совместно с ГОСТ 21128-83. А в последнем говорится, что номинальное напряжене источников и преобразователей 230 В, а сетей и приемников - 220 В. Как бы то ни было, в своей розетке в 2014 году наблюдаю напряжение около 220 В. Правда, если в соседней комнате включить обогреватель на 2 кВт, то напряжение падает до 214 В. Но это в пределах допусков. На какое именно отклонение напряжения сети рассчитывать прибор, зависит от условий эксплуатации. Если планируется использовать его в деревне - лучше взять нижний предел -20%. Я же планирую работать только в лабораторных условиях, поэтому достаточно ±10%. Таким образом, нужно обеспечить нормальное функционирование устройства в диапазоне напряжения от 198 до 242 В при номинальном значении 220 В.

Крупным недостатком линейных источников питания является их низкий КПД, что связано в основном с нестабильностью сетевого напряжения. При номинальном напряжении сети весь запас в 10% приходится рассеивать в виде тепла. При повышении сетевого напряжения сверх нормы ситуация становится еще хуже. По этой причине нельзя делать диапазон питающего напряжения слишком широким, как для импульсных источников питания. Наоборот, нужно экономить на всем, поэтому расчет трансформатора должен быть довольно точным. Для минимизации потерь желательно применять LDO-стабилизаторы, хотя эта мера эффективна только при низких значениях стабилизированного напряжения (до 10 В). Потери на выпрямителе одинаково актуальны как для ключевых, так и для линейных источников. Для минимизации этих потерь желательно применять диоды Шоттки или синхронные выпрямители.

С учетом возможного отклонения напряжения сети требования придется скорректировать: при номинальном напряжении 220 В первый уровень должен быть не ниже 7.7 В, а верхний уровень - не ниже 28 В. Эти требования, скорее, не к трансформатору, а к нестабилизированному сетевому источнику в целом. А он включает в себя трансформатор, выпрямитель и фильтр. Выходное напряжение фильтра имеет довольно значительные пульсации (порядка 1 В), поэтому под минимальным напряжением нужно понимать самые глубокие провалы при пульсациях.

Между фильтром и трансформатором находится выпрямитель, на котором тоже есть падение напряжения. При попытке учесть это падение, используя средний выходной ток, получим ошибочное значение. Дело в том, что при работе выпрямителя на емкостной фильтр диоды открыты лишь небольшой интервал времени на вершинах синусоиды. В результате пиковый ток во много раз превышает средний. На рисунке видно, что при токе нагрузки 1 А пиковый ток диодов (синий график) достигает почти 5 А!

ripple

Поэтому падение напряжения на диодах будет больше, чем для среднего тока. То же относится и к падению напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора. При работе на выпрямитель с емкостным фильтром КПД трансформатора заметно падает, причем, чем больше емкости конденсаторов фильтра, тем сильнее. Значительно улучшает ситуацию дроссель в составе фильтра, но это дополнительная громоздкая деталь, да и сам он имеет активную составляющую сопротивления и связанные с ней потери.

Еще одним паразитным параметром трансформатора является индуктивность рассеяния. Чтобы оценить вклад, ее нужно измерить. Это сделать довольно просто - нужно просто измерителем индуктивности замерить индуктивность обмотки при закороченной второй обмотке. Измеренное значение индуктивности будет представлять собой полную индуктивность рассеяния трансформатора, приведенную к данной обмотке (при условии, что индуктивность намагничивания значительно больше индуктивности рассеяния). Измерения, проделанные на нескольких тороидальных трансформаторах, дают очень близкие результаты. Например, для трансформатора ТТП-102-0,06-УХЛ4 мощностью 60 ВА индуктивность первичной обмотки составляет 2.6 Гн, приведенная к ней индуктивность рассеяния - 4.3 мГн. Это составляет примерно 0.16%. Для других измеренных тороидальных трансформаторов величина лежит в диапазоне от 0.13 до 0.19%. Насколько сильно такая величина индуктивности рассеяния сказывается на ЭДС вторичной обмотки трансформатора, проще всего посмотреть на модели.

DSC_4332_s

DSC_4335_s

В PSpice модель трансформатора имеет в качестве параметров индуктивности первичной и вторичной обмоток (корень квадратный их отношения определяет коэффициент трансформации), а также коэффициент связи между обмотками. Этот коэффициент показывает, какая часть магнитного потока первичной обмотки сцепляется с вторичной обмоткой. Во столько раз коэффициент трансформации будет отличаться от своего идеального значения. Более привычно оперировать не с коэффициентом связи, а с индуктивностью рассеяния. Как показано в статье Валентина Володина "Назначение параметров модели трансформатора в Spice симуляторах", при L >> Ls коэффициент связи K = 1 - 0.5 * Ls/L, где Ls - полная индуктивность рассеяния, приведенная к одной из обмоток, L - индуктивность этой обмотки. Для типичной индуктивности рассеяния тороидального трансформатора 0.15% коэффициент связи обмоток составит 0.99925. Видно, что влияние на ЭДС будет менее 0.1%, им можно пренебречь.

Практические измерения подтверждают, что индуктивность рассеяния, как и потери в сердечнике, при расчете сетевого трансформатора можно не учитывать. Единственным паразитным параметром, который должен быть учтен, является активное сопротивление обмоток. Чтобы вычислить выходное сопротивление трансформатора, нужно сложить активное сопротивление вторичной обмотки и приведенное к ней активное сопротивление первичной обмотки, т.е. Rout = Rs + Rp / N^2, где N - коэффициент трансформации. Для ТТП-102-0,06-УХЛ4 выходное сопротивление Rout = 0.17 Ом + 43.5 Ом / 16.3^2 = 0.17 Ом + 0.16 Ом = 0.33 Ом. Видно, что приведенное к вторичной обмотке активное сопротивление первички практически равно активному сопротивлению вторички. Это говорит о правильном расчете трансформатора. Действительно, ток в первичной обмотке в N раз меньше, поэтому при той же плотности тока сечение нужно взять в N раз меньшее. В то же время количество витков в N раз больше, поэтому длина провода тоже примерно в N раз больше. Следовательно, сопротивление обмотки больше в N^2 раз. Это верно для двухобмоточного трансформатора, для трансформатора с несколькими вторичными обмотками будет по-другому. Практическая проверка трансформатора ТТП-102-0,06-УХЛ4 под нагрузкой 2 А показала просадку напряжения на 0.65 В, что хорошо согласуется с расчетом.

Расчет падения напряжения под нагрузкой с учетом паразитных параметров трансформатора при работе его на выпрямитель с емкостным фильтром сложен, поэтому лучше это все смоделировать. Задача - создать адекватную модель трансформатора.

За основу трансформатора для PSL-2401 был взят готовый тороидальный трансформатор мощностью 35 Вт. Его штатная вторичная обмотка на холостом ходу (хх) при сетевом напряжении 220 В обеспечивала 18.1 В при числе витков 180. В результате получается примерно 10 витков на вольт. После удаления вторичной обмотки можно приблизительно узнать размеры сердечника. Получилось около 65 х 40 х 25 мм. Активное сопротивление первичной обмотки составляет 50.85 Ом, ее индуктивность - 2.54 Гн. Для составления модели нужно еще знать индуктивность и активное сопротивление вторичных обмоток. С индуктивностью проще всего: коэффициент трансформации (отношение количества витков первички и вторички) равен корню квадратному из отношения индуктивностей первички и вторички. С активным сопротивлением сложней, оно зависит от диаметра провода и длины витка. Вручную производить такие расчеты утомительно, поэтому лучше воспользоваться какой-то программой расчета трансформаторов.

DSC_4133_s

Есть очень удобная программа расчета трансформаторов Trans50Hz, автор которой - Владимир Денисенко. На первом этапе нужно разобраться с сердечником и первичкой, восстановив параметры, которые мы не знаем. Уточняя размеры сердечника и подбирая значение индукции, требуется добиться нужного числа витков первички, которое мы знаем (220 В * 10 вит./В = 2200 вит.). Результат получился такой: размер сердечника 67 х 40 х 25 мм, индукция 1.63 Тл. Затем, подбирая диаметр провода первички, нужно добиться равенства ее сопротивления измеренному. Похожее сопротивление (48.27 Ом) получается с проводом 0.3 мм. Если трансформатор не перематывается, а мотается с нуля, то никакого подбора не нужно, первичка считается обычным образом в этой же программе.

soft

Дальше нужно примерно прикинуть, какими будут вторички. В дальнейшем они будут уточнены. Для начала взял все вторички по 8 В 1 А. Программа подсказала диаметр провода - 0.75 мм. Такого у меня в наличии нет, подставил желаемый диаметр 0.8 мм. Получил сопротивления вторичек примерно 0.25 Ом. Этих данных уже достаточно, чтобы составить PSpice-модель.

Готовой модели многообмоточного трансформатора в PSpice нет, но его несложно сделать из отдельных индуктивностей, задав коэффициент связи между ними с помощью компонента K_Linear. Как было показано выше, индуктивность рассеяния сколько-нибудь заметного влияния не оказывает, можно ввести 1.0, а можно и более реальное значение 0.99925. Для верхних обмоток, которые находятся дальше от первички, коэффициент связи в реальности будет меньше, порядка 0.9985. Но это тоже слишком близкое к единице значение, чтобы усложнять себе жизнь различными коэффициентами связи.

sch

В модели приведена реальная схема выпрямителей и фильтра. Генераторы тока I1 и I2 имитируют нагрузку на вспомогательные источники питания внутренней схемы БП. Генератор тока I3 имитирует выходной ток БП. Моделирование делается при номинальном сетевом напряжении, задача - получить первый уровень не ниже 7.7 В, а последний уровень - не ниже 28 В при нагрузке 1 А на любой из уровней. При этом подбираются индуктивности вторичных обмоток. Затем по индуктивностям вычисляется количество витков. Вернувшись снова в программу расчета трансформаторов, корректируются желаемые напряжения вторичек так, чтобы количество витков совпало с моделью. Новое значение сопротивления вторичных обмоток опять переносится в модель и делается еще одна итерация. Обычно этого достаточно, гнаться за большой точностью расчетов нет никакого смысла.

Программа считает вторички намотанными друг на друга. Я же планирую мотать каждую пару обмоток в два провода. Поэтому расчет требуется чуть другой. Но разница будет столь незначительна, что ей можно пренебречь. В результате получились значения 2.95 мГн и 2.5 мГн. Соответствующие коэффициенты трансформации (2540 / 2.95)^0.5 = 29.343 и (2540 / 2.5)^0.5 = 31.875. Для первички 2200 вит. получаем вторички 2 x 75 вит. и 2 x 69 вит. Теперь осталось лишь взять и намотать.

Для изготовления вторичных обмоток на Поле Чудес была куплена небольшая катушка провода ПЭЛ со знаком качества СССР диаметром 0.8 мм.

DSC_4346_s

Длина провода рассчитывается программой, как показала практика, весьма точно. Для каждой пары обмоток нужно примерно 7.5 м двойного провода. С помощью рулетки отмерил на полу в квартире такое расстояние (с небольшим запасом), размотал провод, сложил вдвое и намотал на челнок. Сразу разделал начала обмоток на многожильный провод в изоляции. В предыдущем БП PSL-3604 выводы трансформатора сделал обмоточным проводом (диаметром 1.16 мм), о чем жалею, выводы получились очень жесткими. Провода соединил скрутками, которые потом пропаял и спрятал в термоусадку.

DSC_4344_s

Начало обмотки закрепляю толстыми нитками. Дальше ничего интересного - рутинная работа. При намотке двойным проводом все время приходится следить, чтобы провода не перекручивались. Но 75 витков - это мало, очень скоро обмотка была готова. Получилось примерно полтора слоя.

DSC_4350_s

Между слоями одной обмотки изоляцию я не применял, а вот между обмотками она не помешает. Кроме всего прочего поверх изоляции намного проще мотать следующую обмотку, хорошо видно, как укладывается провод. В качестве изоляции использовал полоску тонкой ПЭТ-пленки, которую добыл в гастрономе под видом рукава для запекания.

DSC_4351_s

Вторая обмотка по ощущениям намоталась еще быстрее, и вот трансформатор готов. Финальная обмотка ПЭТ-лентой, разделка проводов. Проводочки опять использовал от компьютерного БП.

DSC_4354_s

Установил трансформатор на плату БП и по очереди проверил выпрямители. На холостом ходу все нормально, напряжения совпадают с теми, которые видел на модели. Не очень красиво то, что пришлось использовать длинные выводы обмоток, чтобы подключить трансформатор к плате. К сожалению, не получается вывести из трансформатора в одном месте оба вывода обмотки, которая занимает полтора слоя.

DSC_4357_s

Внутри корпуса компоновка получилась плотненькая, но все влезло.

DSC_4360_s

Tags: electronics
Subscribe

  • Измеритель уровня V0.1

    Сделал первую версию прошивки нового измерителя уровня для магнитофона "Электроника-004". Все еще очень-очень сырое, но уже полоски как-то…

  • Sharp GF-777

    Попал тут ко мне Sharp GF-777. Без преувеличения можно сказать, что это легенда. Обладать таким аппаратом могли лишь избранные. Стоил он когда-то…

  • JVC TD-V662

    Когда просят посмотреть кассетную деку, говорят удивительные вещи. Что не могут найти мастера, который за это бы взялся. Но ведь аналоговая…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 47 comments

  • Измеритель уровня V0.1

    Сделал первую версию прошивки нового измерителя уровня для магнитофона "Электроника-004". Все еще очень-очень сырое, но уже полоски как-то…

  • Sharp GF-777

    Попал тут ко мне Sharp GF-777. Без преувеличения можно сказать, что это легенда. Обладать таким аппаратом могли лишь избранные. Стоил он когда-то…

  • JVC TD-V662

    Когда просят посмотреть кассетную деку, говорят удивительные вещи. Что не могут найти мастера, который за это бы взялся. Но ведь аналоговая…