Minipřednášky. Transformátory. Tlumivky (Vladimir Sysolyatin) /

Poprvé jsem se s problémem setkal v roce 1960. Vlastně problém není můj, ale skončil jsem někde obětí, v něčem?! Udmurtia. Vesnice ztracená v lesích. Jediný podnik “Leskhoz”. Nevím, co tam dělali, a o to nejde?! A to v jejich malé elektrárně, která dodává elektřinu obci. Alespoň v té části, kde jsem musel žít. Přes den je to ještě v pohodě, ale když přijde večer a noc. Napětí v síti kleslo téměř o polovinu?! Ano, stále bylo možné najít stůl, židli, postel v načervenalém světle „Iljičovy lampy“, ale co rádio? Prostě přestal pracovat. A to vše kvůli zvýšené zátěži a dlouhým frontám. Přesněji ztráty v těchto řádcích!

Okamžitě vyvstalo téma snižování ztrát při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti spolu s touhou elektrifikovat zemi. A co s tím dělat? Existují různé způsoby, jak snížit ztráty. První věc, která vás napadne, je použití kovů pro vodiče s nízkým odporem, a to je pravda. Ale!? Ale řekněme, že výměna hliníkových drátů za měděné přinese zisk. Měď má tzv. měrný odpor, který je 1,65krát menší než hliník, ale hmotnost mědi (měrná) je 3,3krát větší než hmotnost hliníku! Již tak objemné konstrukce přenosových vedení se stanou ještě objemnějšími. Kde je východ? Řešením je zvýšení napětí při přenosu na velké vzdálenosti. Řekněme ne 220 voltů, ale 1150000 5227 voltů.? To znamená, že pro přenos stejného výkonu pomocí vysokého napětí se proud sníží XNUMXkrát (pamatujete na Ohmův zákon!?). V souladu s tím se sníží ztráty z vytápění ulice! Ale jak takové šílené napětí získat a co s ním na přijímací straně?! Jen to strčit do našeho bytu, domu? A dělat si s tím vším co chceš? Ukazuje se, že je to začarovaný kruh! Ale řešení se našlo díky objevu elektromagnetické indukce a vynálezu střídavého proudu!

K objevu vedly dvě skutečnosti: proud procházející vodičem vytvořil magnetické pole a naopak magnetické pole vytvořilo elektrický proud ve vodiči. Ukázalo se, že proud procházející vodičem indukoval stejný proud v blízkém vodiči! Byl tu jen jeden problém: to vše se stalo v okamžiku, v okamžiku, kdy byl proud zapnut nebo vypnut. Tedy když se změní velikost objevujícího se (mizícího) magnetického pole. Stejnosměrný proud nemohl indukovat stejný proud v blízkém vodiči, bohužel! Teprve když byl vynalezen střídavý proud, řešení se dostalo na zem!

Jak dlouho bychom měřili čas, kdyby nebyl vynalezen TRANSFORMER!? Transformer z latinského transformare (přeměnit, přeměnit). Dva stejné vodiče, které se navzájem ovlivňují elektromagnetickými poli, ale stočené do víceotáčkové spirály. A pro větší dopad bylo použito jádro z magnetických materiálů. Zde na obr. 2 vidíte jeden z prvních transformátorů. Dráty stočené do spirály se nazývaly vinutí, primární a sekundární. Napětí je přivedeno na primární a odstraněno ze sekundárního. A co točí? Takhle se rozhoduješ?! Záleží vše na poměru počtu závitů těchto vinutí? Pokud je počet závitů sekundáru větší než primární, je transformátor zvyšovací. Pokud je opak pravdou, klesá. Zde je příklad na obr. 9 snižovacího transformátoru. Od 220 V do 36 V. Tečky ve tvaru vlny znamenají, že proud je střídavý.

Myslím, že jste nyní přišli na to, jak pomocí transformátorů snížit ztráty v elektrických vedeních?! Na obr. 1 vidíte cestu elektřiny z vodní elektrárny Volchov k vám: k vám domů, do vaší chaty?! Ano, ve skutečnosti se používá třífázový proud. Pro jednoduchost vysvětlení jsem ukázal jednofázový. Všechna čísla jsou čistě konvenční a pouze ta poslední, která přicházejí do domu, jsou skutečná. Ve skutečnosti má proud stejná čísla, ale je třífázový! Poslední transformátory v tomto řetězci jsou umístěny na městských dvorech, chatových osadách, vesnicích a osadách. Pokud jste obyvateli města, projděte se po nejbližších dvorech a jistě najdete jednopatrovou budovu squatu. Toto je poslední trafostanice.

Nyní o tom, co je nám bližší! O transformátorech v našich (vašich) elektrických a rádiových zařízeních. Transformátory se obecně dělí na: výkonové, přizpůsobovací (nízkonapěťové) a impulsní. Každý z nich plní své vlastní odpovídající funkce. Takže MOCNÝ.

VÝKONOVÉ TRANSFORMÁTORY. Ano, samozřejmě, teď to nezní tak hlasitě. Napájecí zdroj je takový, který napájí celé zařízení, spotřebič, rádio nebo televizi. Spolu s obvodem tomu všemu říkají NAPÁJECÍ JEDNOTKA. O samotných blocích si povíme možná později a v další Minipřednášce. A zatím? Ano, pouze o moci. Pokud omylem otevřete časopis RADIO č. 7, strana 22 pro rok 1948, uvidíte schéma rozhlasového přijímače Rekord-47. V pravém dolním rohu je to, co by se nyní nazývalo napájecí zdroj. I když to ve skutečnosti není pravda! Blok je zcela samostatná, jedinečná struktura a není součástí okruhu. Jak vidíte, není zde vůbec žádný transformátor! a jak? Ah, v žádném případě. Je to normální. Jedná se o beztransformátorový napájecí obvod pro rádiový přijímač. 47, to je rok 1947, rok výroby produktu. Byly to těžké poválečné roky špatné úrody. Když ještě existovaly stravenky. Ve všem se šetřilo. A to i v našem případě. Pokud budete postupovat podle schématu, uvidíte, že lampy byly ohřívány přímo ze sítě. Přes zhášecí odpor (rezistor). A jeden drát, ten síťový, byl připojen ke kovovému pouzdru! Zabezpečení tedy nebylo nízké, ale velmi nízké! Jedinou výhodou je možnost napájet rádio stejnosměrným proudem. Kde to ale mohu získat?

Samozřejmě to nebylo nic jiného než nepříjemnosti. A již v roce 1952 začali vyrábět lidový “Moskvič” (část schématu, obr. 13). A teď se tu objevil transformátor, ale? Ale byl to jen autotransformátor. Auto, z řečtiny (autos “self” + transformátor). Jedná se o transformátor, ve kterém je primární vinutí kombinováno se sekundárním. A pomocí odboček se ze sekundáru odstraní nízké nebo vysoké napětí. Takže při síťovém napětí 220 V fungoval autotransformátor jako snižovací transformátor na 6,3 V, ale při 110/127 V fungoval jako snižovací i snižovací transformátor! Ano, pohodlí se zvýšilo. Ale bezpečnost, ne! Stejně jako předtím jeden síťový vodič „seděl“ na těle přijímače! Teprve v roce 1953 se konečně objevily výkonové transformátory, které byly galvanicky odděleny od sítě. Na obr. 12 je znázorněna napájecí jednotka rádiového přijímače Record-53M. Všechna síťová přepínací spojení byla izolována od zbytku obvodu. Následně se to začalo používat všude.

K autotransformátoru na obr. 7 bych rád řekl pár slov. No, to se našeho tématu moc netýká, ale? Ale v některých případech dokonce velmi! Jeho struktura je velmi jednoduchá. Zde je na rozdíl od předchozích transformátorů jádro ve formě prstence. Obr. 8 ukazuje fragment takového autotransformátoru. Izolovaný vodič je navinut na prstenec jádra. Závity vinutí jsou umístěny kolmo k obvodu prstence. Horní okraj vinutí je zbaven izolace. Válec sběrače proudu se pohybuje po obvodu. Obr. 6 ukazuje schéma takového autotransformátoru. Je pravda, že v obvodu je ampérmetr. Ale může a nemusí to tak být?! To samé s voltmetrem. Takže v těchto starých sovětských autotransformátorech nebyl vůbec žádný voltmetr! Síťové napětí 220 V je přivedeno do části vinutí a napětí, které potřebujete, je odstraněno z jezdce sběrače proudu. Černá šipka Uout je menší než 220 V. Červená se rovná síťovému napětí. Pokud potřebujete zvýšit (více než 220 V), posuvník se posune nahoru. Ve skutečnosti se nastavení provádí otáčením rukojeti v horní části autotransformátoru. V SSSR se takový autotransformátor nazýval laboratoř nebo zkráceně „LATR“.

Mimochodem! Takové transformátory, auta lze zapnout naruby (jen opatrně!)! To znamená, že do regulované části sítě přiveďte snížené napětí a pro vaši potřebu odeberte zvýšené napětí rovnající se 220 V! Tak se to dělalo v téhle zatracené vesnici, v Domě pionýrů. Nejde to jinak, myslím po večerech.

ODPOVÍDAJÍCÍ TRANSFORMÁTORY. Spojují tyto transformátory něco s něčím, liší se od sebe nějakým způsobem? Na obr. 10 můžete vidět přesně tento druh transformátoru. Pokud jste předtím měli doma předplatitelský reproduktor, pak toto schéma tam bylo. Pro ty, kteří nevědí, „napájecí“ rádiové linky 120 V vedly z rádiových uzlů po celém městě, městě a vesnici V domech nebo částech města byl signál snížen na 30 V pomocí transformátorů. Pokud byl v domě černý kloboukový elektromagnetický reproduktor, pak byl pro svůj vysoký odpor připojen přímo do 30V sítě. Ale reproduktory (dynamické reproduktory) bylo nutné spárovat pomocí přizpůsobovacího transformátoru, obr. 10. Odpor reproduktoru je někde kolem 3-5 ohmů. A proto je napětí potřebné pro jeho provoz malé. A v síti je 30 V. Primární vinutí tedy mělo vysoký odpor jako „klobouk“ a sekundární mělo malý odpor. Podobné transformátory byly (jsou) použity pro podobné přizpůsobení některých kaskád, dílů s jinými parametry. Pokud byly transformátory na vstupu obvodu, nazývaly se vstupní transformátory. Na výstupu výstup (jako na obr. 10). Ostatní jsou střední nebo (mezi-kaskádové).

PULZNÍ TRANSFORMÁTORY. Jak už asi tušíte, jsou navrženy tak, aby pracovaly s impulsy. Dělí se hlavně do dvou skupin: nízkonapěťové pro použití v pulzních generátorech a vysokonapěťové pro použití v zařízeních pro nasazení. Ten by mohl produkovat výstupní napětí až 20000 4 voltů nebo více! Hlavním úkolem takových transformátorů je zavést co nejmenší zkreslení. Zde na obr. XNUMX jsou na jednom grafu znázorněny: obdélníkový pulz (skutečný se zeleným podsvícením) a zkreslený na výstupu pulzního transformátoru (červené podsvícení). Tenhle je ještě hodně vyhlazený! Ve skutečnosti to vypadá ještě děsivěji!

PLYNICE. Pokud by vám byla ukázána tlumivka, pravděpodobně byste ji hned nerozeznali od transformátoru. Tlumivka má samozřejmě jen jedno vinutí a dva vývody. Hlavním ukazatelem je indukčnost a minimální ztráty. V zeleném obdélníku jsou dva vzorce: indukční odpor a kapacita (kondenzátor). A na obr. 5 je obvod usměrňovače jako základ pro napájení něčeho?! Podle vzorců se s rostoucí frekvencí odpor indukčnosti zvyšuje, zatímco kapacita naopak klesá. V usměrňovači C1, C2 a indukčnost tlumivky Dr hrají roli filtru. Filtr by měl izolovat konstantní složku (stejnosměrný proud) a pokud možno nepropouštět proměnnou složku! Stejných 50 Hz. Tlumivka zpožďuje proměnnou složku a kondenzátory ji zkratují k zemi.

Pár slov o součástkách všech transformátorů a tlumivek, o jádrech. Úspěšný provoz veškerého hardwaru závisí na jeho kvalitě. Samozřejmě nebudeme zvažovat všechny složitosti a jemnosti výpočtu těchto jader, ale jen trochu po kousku. Všechna jádra se od sebe liší jak typem, tak technologickým provedením. Na obr. 11 jsou vidět hlavní typy jader. obr. 11a, tzv. BRNĚNÍ. Proč obrněný? Obr.11b, TOROIDÁLNÍ. Stejné jako u autotransformátoru obr. 7. Obr.11c, ROD. Všechny jsou sestaveny z páskového materiálu. Černé čáry přes jádra jsou hranice mezi polovinami. Poté jsou shromážděny dohromady. Na obr. 11d lisované desky pro prefabrikované jádro. Mimochodem, z takových a podobných desek jsou sestavena pancéřová a tyčová jádra.

Podle potřeby se tyto (vyražené) sestavují buď od konce ke konci, nebo se překrývají. Spodní deska se nazývá deska ve tvaru Ш a horní deska se nazývá uzavírací deska. Jádro je sestaveno od konce ke konci, jak vidíte na obr. 11d. V tom smyslu, že vidíte vrchní desky naskládané na hromadu. Překrývající se, také v zásobníku, ale v pořádku. Ach, jak to? Nejprve se objeví to, co vidíte. Stejná sada je umístěna na ní, pouze obráceně. Poté znovu správně a tak dále, dokud nedosáhneme požadované velikosti (tloušťky). V případě potřeby jsou koncové desky lepeny speciální pastou s konci ve tvaru Ш.

Při montáži end-to-end v případě potřeby nelepte, ale vytvořte izolační těsnění. Totéž se provádí s páskovými jádry. Dále (nebo při montáži Ш) jsou umístěny cívky s vinutím. Zde jsou různé možnosti. Takže na obr. 2,9 jsou ve tvaru U, vyražené. Na obr. 3 jádro ve tvaru Ш. Na obr. 2a, pancéřování, páska. Mimochodem, pokud se za Tsar Pea vyráběly transformátory (tlumivky) pro konkrétní design, později se začaly vyrábět UNIFIKOVANÉ! Tady je to na obr.2a!

No, to je asi vše!

Existuje mnoho obvodů pro pulzní měniče elektrické energie. Step-down, step-up, inverting, forward, flyback, push-pull, half-bridge, bridge a dokonce i „skew-bridge“ (dvoutranzistorové) – snadno se v nich ztratí a „utopí“ i zkušený specialista, nemluvě o začátečníkech. Všechny přitom řeší stejný problém – přeměnu napětí jedné velikosti na jedno nebo několik napětí jiné úrovně. Někdy navíc zajišťují i ​​galvanické oddělení – elektrické oddělení vstupních obvodů od výstupních obvodů. Ale proč tolik schémat? Opravdu je nemožné vymyslet jedno univerzální řešení, které by se dalo použít v každé situaci?

Bohužel to není možné. Už jen proto, že kromě koeficientu přenosu napětí a existence galvanického oddělení má pulzní měnič několik dalších parametrů, z nichž hlavní jsou rozměry, hmotnost, účinnost a cena. A zde se dostává do popředí konkrétní úkol, který před vývojářem stojí. V některých případech musí být měnič kompaktní a lehký, v jiných – levný a v jiných – musí mít maximální účinnost.

Oblasti použití a principy činnosti všech populárních převodníků bez výjimky jsou velmi dobře popsány v odborné literatuře. Proč ale tyto diagramy vypadají přesně takto? Existuje nějaký „manévrovací prostor“ pro vývojáře – nestandardní úprava schématu pro ještě lepší řešení úkolu? K zodpovězení těchto otázek je nutné důkladně porozumět složitému vztahu mezi technickými charakteristikami a energetickými procesy probíhajícími při pulzní přeměně elektrické energie, a to bohužel není tak jednoduché.

Uvažujme například počítačový zdroj ATX (obrázek 1). Střídavé napětí sítě je v něm převáděno vstupním usměrňovačem na konstantní napětí asi 300 V. Z něj pak dva pulzní DC-DC měniče vytvářejí konstantní napětí požadovaných úrovní, z nichž hlavní je +5 V a +12 V. (V předstihu před možnou kritikou ihned upozorňuji čtenáře na to, že tento článek není o napájecích zdrojích počítače velmi zjednodušený).

Důvod, proč se používají dva převodníky, je intuitivní: záložní převodník napájí obvody počítače, které musí pracovat nepřetržitě, jako je síťová karta s možností dálkového ovládání, a hlavní převodník pouze v případě potřeby. Ale proč je konvertor v pohotovostním režimu postaven pomocí jednoduchého zpětného obvodu, zatímco hlavní je postaven pomocí složitějšího, například polovičního můstku? Oba obvody převádějí vstupní napětí 300V DC na 5V a 12V (a další napětí podle potřeby) a mohou teoreticky poskytovat libovolný počet elektricky izolovaných výstupních kanálů na libovolných úrovních napětí. Ale polomůstkový okruh je mnohem složitější než okruh flyback. Obsahuje více indukčních a polovodičových prvků, má složitější řídicí obvod a teoreticky by měl být dražší a méně spolehlivý. Proč je tedy hlavní převodník v počítačovém napájecím zdroji vyroben pomocí schématu polovičního můstku a ne schématu zpětného chodu?

Odpověď na tuto otázku najdete v tomto článku, který je prvním dílem jakéhosi shrnutí cyklu materiálů již publikovaných v časopise RadioPilot [1–6]. V případě potřeby si je čtenář může kdykoliv přečíst a pro ty, kteří chtějí důkladněji porozumět podstatě problematiky, jsou nabízeny „těžší“ články publikované v recenzovaných vědeckých časopisech [7, 8].

Jaký je rozdíl mezi tlumivkou a transformátorem?

Jsem si jist, že odborníci již vědí, že výkonová část měniče se vybírá na základě jeho výkonu. V uvedeném příkladu (obrázek 1) je výkon zpětného měniče v pohotovostním režimu přibližně 5 W, ale výkon hlavního začíná od 200 W a u „seriózních“ systémových jednotek může přesáhnout 1 kW. Ale flyback obvod nemá žádné teoretické omezení maximální úrovně výkonu. Proč je tedy tak těžké najít flyback měnič s výkonem větším než 200 W? Pojďme na to přijít.

Aby se změnily parametry elektrické energie, například velikost napětí, je nutné tuto energii převést na jinou formu a následně ji přeměnit zpět na elektřinu. Toho lze dosáhnout s nejmenšími ztrátami přenosem elektrické energie magnetickým polem a dnes existují pouze dvě zařízení, která to umožňují nejjednodušeji a efektivněji: tlumivka a transformátor. Tato zařízení jsou svým designem téměř totožná a liší se pouze svými provozními režimy. Transformátor propouští energii „skrze sebe“, aniž by ji akumuloval v magnetickém poli, a tlumivka funguje na principu „ber-save-dej“ [1]. V transformátoru proto proudy vinutí spojené s primárním a sekundárním okruhem tečou současně, zatímco v tlumivce tečou v různých časových intervalech.

To vede k tomu, že transformátor přeměňuje energii nepřetržitě, zatímco tlumivka ji přeměňuje po částech. Protože energie přeměněná tlumivkou musí být akumulována v magnetickém obvodu, musí její objem V splňovat podmínku [1]

• S_С a L_CP – příčnou plochu a průměrnou délku magnetické čáry magnetického obvodu;
• μ ≈ 1.257∙10 –6 H/m – magnetická permeabilita vakua;
• μ_EČV – ekvivalentní magnetická permeabilita magnetického obvodu, s přihlédnutím ke všem vlastnostem jeho konstrukce, včetně přítomnosti nemagnetických mezer;
• B_MAX – maximální indukce v magnetickém obvodu;
• P – konvertovaný výkon (jak se liší od výkonu konvertoru je popsáno v [1]);
• f – převodní frekvence.

Tlumivka a transformátor však kromě magnetického obvodu obsahují také vinutí, která musí být umístěna v okně o ploše S_О. V [6] bylo ukázáno, že plocha, kterou zabírá vinutí v okně, je přímo úměrná počtu závitů, což zase závisí na ploše průřezu magnetického obvodu S_C. Plochy okna a průřez jsou tak propojené, že i pro indukční prvky existují speciální vzorce, které umožňují přibližně odhadnout požadovanou hodnotu součinu S_СS_О v závislosti na konkrétním úkolu. Pro škrticí klapku byl takový vzorec získán v [6]:

• к_С, do_О – faktory plnění magnetického obvodu a okénka aktivním materiálem;
• J – proudová hustota ve vinutích;
• ΔВ – amplituda magnetické indukce;
• к_{1_MAX}, do_{2_MAX} – relativní maximální doby trvání první a druhé fáze transformace [6].

Obdobný vzorec získáme pro transformátory. Pro jednoduchost si představme, že transformátor pracuje s obdélníkovými napětími (obrázek 2).

Okno transformátoru musí obsahovat alespoň dvě vinutí s počtem závitů N₁ a N₂. Požadovanou plochu průřezu okna lze určit pomocí vzorce

kde já₁, I₂, J₁, J₂ – efektivní hodnoty a proudové hustoty primárního a sekundárního vinutí.

Protože proudy primárního a sekundárního vinutí transformátoru protékají současně, musí se podle zákona o celkovém proudu jejich magnetizační síly vzájemně kompenzovat (podrobněji o tom jsou uvedeny v [4]). Vzhledem k tomu, že magnetizační proud je zanedbatelný ve srovnání s proudy generovanými zátěžemi, můžeme napsat N₁I₁ = N₂I₂. Proto se stejnými proudovými hustotami ve vinutích (J₁ = J₂ = J) vzorec (3) příklad zobrazení

Ze vzorce (4) je zřejmé, že stejně jako u tlumivek, i u transformátorů plocha zabraná vinutím v okně závisí na počtu závitů, což zase závisí na ploše průřezu magnetického obvodu S_С [třicet]:

kde ty₁ – průměrná hodnota napětí u_{1 (t)}, aplikovaný na primární vinutí po dobu Δt a výsledkem je změna magnetické indukce prostřednictvím ΔB (obrázek 2).

Dosazením (5) do (4) získáme vzorec, pomocí kterého určíme minimální požadovanou hodnotu součinu S_СS_О pro transformátor:

S pravoúhlým tvarem napětí a proudů (obrázek 2) a bez ztrát je produkt U₁I₁ lze považovat za přibližně stejný jako výkon převedený transformátorem (P ≈ U₁I₁). Navíc doba Δt, za kterou má magnetická indukce čas změnit se o hodnotu ΔB, je rovna polovině periody vstupního napětí (Δt = 0.5T = 0.5/f, kde f je pracovní frekvence transformátoru). Takže pro transformátor, s přihlédnutím k neúplnému naplnění magnetického obvodu a okna magnetickými a vodivými materiály, minimální hodnota produktu S_СS_О musí splňovat podmínku:

Porovnáním vzorců (2) a (7) vidíme, že za stejných podmínek (stejnost faktorů plnění jádra k_С a okna do_О, proudová hustota J, rozsah magnetické indukce ΔB, pracovní frekvence f a převedený výkon P) tlumivka vyžaduje magnetický obvod dvakrát větší než transformátor. (Závorky ve vzorci (2), beroucí v úvahu tvar proudů vinutí, když měnič pracuje v hraničním režimu, poskytnou v nejlepším případě snížení S_СS_О pouze o 5. 10 %).

Seznam zdrojů

1. Rusu A.P. “Odkud se vzaly základní obvody převodníku”
2. Rusu A.P. “Proč pulzní měniče “nemají rády” “lehké” zátěže”
3. Rusu A.P. “Proč mohou mít vinutí tlumivky flyback měniče různý počet otáček”
4. Rusu A.P. “Může se proud ve vinutí tlumivky okamžitě změnit?”
5. Rusu A.P. V jakém režimu má pracovat magnetický obvod tlumivky pulsního měniče? // Radiopilot – 2018. – č. 5. – S.26 – 30 (1. část). – č. 6. – S.26 – 30 (2. část).
6. Rusu A.P. Jak určit rozměry magnetického obvodu tlumivky pulsního měniče // Radiolotsman – 2018. – č. 7. – S.30 – 33 (1. část). – č. 8. – S.24 – 27 (2. část).
7. Kadatsky A.F., Rusu A.P. Rozbor principů konstrukce a pracovních režimů pulzních měničů elektrické energie // Praktická výkonová elektronika. – 2016. – №2(62). – str. 10 – 24.
8. Kadatskyy A.F., Rusu A.P. Stanovení potřebných rozměrů jádra induktoru pro spínání měničů elektrické energie // Vědecké práce ONAZ pojmenované po. O.S. Popova. – 2018. – №1. – S. 125–134.
9. Ferity a příslušenství. Materiál SIFERRIT N87. – Epcos. – 2006. – 7s.