Исходные данные для расчёта
Uпит min=170B; Uпит ном= 220B; Uпит max= 250B - соответственно минимальное, номинальное и максимальное напряжение питания преобразователя;
- Uкэ. нас= 1,5В - напряжение насыщения участка коллектор-эмиттер (или сток-исток) коммутирующих транзисторов;
- Bнас= 0,38В - индукция насыщения маг-нитопровода;
-µэфф=2000 Гн/м - эффективная магнитная проницаемость магнитопровода;
- F= 30кГц - частота преобразования;
- Uн= 12В; 5В - напряжение на нагрузке;
- Iн= 2А; 3,5А - ток, потребляемый нагрузкой;
- D= 38мм, d= 24мм, h= 7мм - внешний диаметр, внутренний диаметр и высота кольцевого магнитопровода.
Методика расчёта
1. Мощность, потребляемая нагрузкой, . Если нагрузок несколько, вычисляют суммарную потребляемую ими мощность:
. Вычисляют КПД трансформатора согласно рис. 1 по эмпирической формуле:
, (1)
где значение F - кГц, Рн - Вт.
3. Используемая мощность трансформатора:
. Площадь сечения магнитопровода
.
. Площадь окна магнитопровода:
|
|
.
. Средняя длина магнитной силовой линии в магнитопроводе
. Принимаем значение максимальной индукции Вm (Тл) частной петли гистерезиса в пределах Вm= (0,5...0,75)Bнас. Из [3] известно, что выбирать Вm меньше 0,5Внас нерационально вследствие необоснованного увеличения габаритов трансформатора, а больше 0,756Bнас нельзя из-за повышения вероятности насыщения магнитопровода. Принимаем Вm равным среднему значению - 0,625Bнас.
. Габаритную мощность трансформатора в общем случае рассчитываем по формуле{3, с. 85]; [5, с. 24-26]; [7, с. 109]:
, или
,(2)
где значение Ргаб - Вт; Sc и So - см2; F - Гц; Вт - Тл: J - плотность тока в обмотках, А/мм; s - число стержней магнитопровода, на которых расположены обмотки (для кольцевого магнитопровода - 1); kc- коэффициент заполнения ферромагнитным материалом площади поперечного сечения магнитопровода [5, с. 24]; kм- коэффициент заполнения окна медью обмоток; kф - коэффициент формы преобразовываемого напряжения (для прямоугольной формы - 1).
Из [7, с. 110] коэффициент kc для ферритов - 1; kм - 0,15 при Рн > 15 Вт.
9. Согласно [7, с. 109] и проверено экспериментально:
,(3)
Поскольку Ргаб в свою очередь зависит от J, вычисление следует выполнять итерационно. Трудностей итерационного расчета можно избежать, приняв J равной 1,87 А/мм2 или вычислив Ргаб по формуле, приведенной в статье [2], которая дает менее точный, но пригодный для первоначальной оценки результат:
,
где значение Ргаб - Вт; Sc и So - см, F - Гц; Вт - Тл.
10. Проверяем, если Ргаб> Рисп, выбранный кольцевой магнитопровод можно использовать, то продолжаем расчет. Если неравенство не выполняется, желательно либо повысить частоту преобразования (если это позволяют характеристики материала магнитопровода и элементы ИИП), либо применить магнитопровод больших размеров. Запас по Ргаб учитывает изменение параметров магнитопровода (старение, уменьшение µэфф при нагревании и т. д.).
|
|
11. Наибольшее напряжение первичной обмотки трансформатора для полумостового преобразователя ; для мостового преобразователя для преобразователя со средней точкой .
. Определяем число витков первичной обмотки трансформатора [3, с. 92]:
где значение U1 -; F - Гц; Вт - Тл; Sc - м2.
13. Рассчитываем индуктивность первичной обмотки трансформатора (в Гн) по известной формуле
;
где Гн/м - магнитная постоянная.
. По методике [1] вычисляем максимальное значение прямоугольной составляющей тока первичной обмотки трансформатора:
- для мостового преобразователя
;
для преобразователя со средней точкой
;
для полумостового преобразователя
;
. Максимальное значение амплитуды треугольной составляющей тока [1] первичной обмотки трансформатора:
- для полумостового и мостового преобразователей
;
для преобразователя со средней точкой
;
где значение lmax - A; U1 -- В, F - Гц; L1, - Гн.
16. Если выполняется неравенство lmax < 0,2 I1max. полагаем, что форма тока первичной обмотки трансформатора близка к прямоугольной. В противном случае желательно применить магнитопровод с иными параметрами. Но если неравенство не выполнено, продолжают расчет дальше, допуская повышенную амплитуду треугольной составляющей тока, из-за которой придется выбрать коммутирующие транзисторы с более высоким максимально допустимым током коллектора или стока.
17. Ориентировочно максимальное значение амплитуды тока первичной обмотки . Более точный расчет выполняют в цикле, перебирая значения напряжения питания в интервале его изменения с малым шагом (например, 1 В) и вычисляя соответствующую сумму токов.
. Диаметр провода первичной обмотки [1]:
Если использован литцендрат из N проводов, то согласно [7, с. 111] диаметр обмотки можно рассчитать так:
где значение IΣмах -А; d1 -mm; J --А/мм.
19. Число витков вторичной обмотки ,. Диаметр провода вторичной обмотки . Этот пункт расчета повторяют для каждой вторичной обмотки.
,
Упрощенный расчет на этом завершен. Для более точного расчета требуется, зная результаты упрощенного, итерационно заново определить КПД трансформатора и плотность тока, учитывая суммарные потери мощности. Точный расчет трансформатора - сложная задача, требующая учета ряда дополнительных параметров. Результаты же будут всего на единицы процентов отличаться от приближенных. Для радиолюбительской практики вполне достаточно упрощенного расчета.