Импульсный трансформатор: основные виды и характеристики

Виды трансформаторов

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, содержащее от двух до нескольких обмоток, расположенных на общем магнитопроводе, и индуктивно связанных, таким образом, между собой. Служит трансформатор для преобразования электрической энергии переменного тока посредством электромагнитной индукции без изменения частоты тока. Используют трансформаторы как для преобразования переменного напряжения, так и для гальванической развязки в различных сферах электротехники и электроники.

Справедливости ради отметим, что в некоторых случаях трансформатор может содержать и всего одну обмотку (автотрансформатор), а сердечник может и вовсе отсутствовать (ВЧ — трансформатор), однако в большинстве своем трансформаторы имеют сердечник (магнитопровод) из магнитомягкого ферромагнитного материала, и две или более изолированные ленточные или проволочные обмотки, охватываемые общим магнитным потоком, но обо всем по порядку. Рассмотрим, какие же бывают виды трансформаторов, как они устроены и для чего применяются.

Данный вид низкочастотных (50-60 Гц) трансформаторов служит в электрических сетях, а также в установках приема и преобразования электрической энергии. Почему называется силовой? Потому что именно этот тип трансформаторов применяется для подачи и приема электроэнергии на ЛЭП и с ЛЭП, где напряжение может достигать 1150 кВ.

В городских электросетях напряжение достигает 10 кВ. Посредством именно силовых низкочастотных трансформаторов напряжение также и понижается до 0,4 кВ, 380/220 вольт, необходимых потребителям.

Конструктивно типичный силовой трансформатор может содержать две, три или более обмоток, расположенных на броневом сердечнике из электротехнической стали, причем некоторые из обмоток низшего напряжения могут питаться параллельно (трансформатор с расщепленными обмотками).

Это удобно для повышения напряжения, получаемого одновременно с нескольких генераторов. Как правило, силовой трансформатор помещен в бак с трансформаторным маслом, а в случае особо мощных экземпляров добавляется система активного охлаждения.

Трансформаторы силовые трехфазные мощностью до 4000 кВА устанавливаются на подстанциях и электростанциях. Более распространены трехфазные, поскольку потери получаются до 15% меньше, чем с тремя однофазными.

Сетевые трансформаторы еще в 80-е и 90-е годы можно было встретить практически в любом электроприборе. С помощью именно сетевого трансформатора (обычно однофазного) напряжение бытовой сети 220 вольт с частотой 50 Гц понижается до уровня, требуемого электроприбору, например 5, 12, 24 или 48 вольт.

Часто сетевые трансформаторы выполняются с несколькими вторичными обмотками, чтобы несколько источников напряжения можно было бы использовать для питания различных частей схемы. В частности, трансформаторы ТН (трансформатор накальный) всегда можно было (да и сейчас можно) встретить в схемах, где присутствовали радиолампы.

Современные сетевые трансформаторы конструктивно выполняются на Ш-образных, стержневых или тороидальных сердечниках из набора пластин электротехнической стали, на которые и навиваются обмотки. Тороидальная форма магнитопровода позволяет получить более компактный трансформатор.

Если сравнить трансформаторы равной габаритной мощности на тороидальном и на Ш-образном сердечниках, то тороидальный будет занимать меньше места, к тому же площадь поверхности тороидального магнитопровода полностью охватывается обмотками, нет пустого ярма, как в случае с броневым Ш-образным или стержневым сердечниками. К сетевым можно отнести в частности и сварочные трансформаторы мощностью до 6 кВт. Сетевые трансформаторы, конечно, относятся к низкочастотным трансформаторам.

Одной из разновидностей низкочастотного трансформатора является автотрансформатор, у которого вторичная обмотка является частью первичной или первичная является частью вторичной. То есть в автотрансформаторе обмотки связаны не только магнитно, но и электрически. Несколько выводов делаются от единственной обмотки, и позволяют всего с одной обмотки получить различное напряжение.

Главное преимущество автотрансформатора — меньшая стоимость, поскольку расходуется меньше провода для обмоток, меньше стали для сердечника, в итоге и вес получается меньше, чем у обычного трансформатора. Недостаток — отсутствие гальванической развязки обмоток.

Автотрансформаторы находят применение в устройствах автоматического управления, а также широко используются в высоковольтных электросетях. Трехфазные автотрансформаторы с соединением обмоток в треугольник либо в звезду в электрических сетях весьма востребованы сегодня.

Силовые автотрансформаторы выпускаются на мощности вплоть до сотен мегаватт. Применяют автотрансформаторы и для пуска мощных двигателей переменного тока. Автотрансформаторы особенно целесообразны при невысоких коэффициентах трансформации.

Частным случаем автотрансформатора является лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). Он позволяет плавно регулировать напряжение, подаваемое к потребителю. Конструкция ЛАТРа представляет собой тороидальный трансформатор с единственной обмоткой, которая имеет неизолированную «дорожку» от витка к витку, то есть имеется возможность подключения к каждому из витков обмотки. Контакт с дорожкой обеспечивается скользящей угольной щеткой, которая управляется поворотной ручкой.

Так можно получить на нагрузке действующее напряжение различной величины. Типичные однофазные ЛАТРы позволяют получать напряжение от 0 до 250 вольт, а трехфазные — от 0 до 450 вольт. ЛАТРы мощностью от 0,5 до 10 кВт очень популярны в лабораториях для целей наладки электрооборудования.

Трансформатором тока называется трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная — к защитным или измерительным приборам, имеющим малые внутренние сопротивления. Наиболее распространенным типом трансформатора тока является измерительный трансформатор тока.

Первичная обмотка трансформатора тока (обычно — всего один виток, один провод) включается последовательно в цепь, в которой требуется измерить переменный ток. Получается в результате, что ток вторичной обмотки пропорционален току первичной, при этом вторичная обмотка обязательно должна быть нагружена, ибо иначе напряжение вторичной обмотки может получиться достаточно высоким, чтобы пробить изоляцию. Кроме того, если вторичную обмотку ТТ разомкнуть, то магнитопровод просто выгорит от наведенных некомпенсированных токов.

Конструкция трансформатора тока представляет собой сердечник из шихтованной кремнистой холоднокатаной электротехнической стали, на который намотана одна или несколько изолированных обмоток, являющихся вторичными. Первичная обмотка зачастую — просто шина, либо пропущенный через окно магнитопровода провод с измеряемым током (на этом принципе, кстати, работают токоизмерительные клещи). Главная характеристика трансформатора тока — коэффициент трансформации, например 100/5 А.

Для измерения тока и в схемах релейной защиты трансформаторы тока применяются достаточно широко. Они безопасны, поскольку измеряемая и вторичная цепи гальванически изолированы друг от друга. Обычно промышленные трансформаторы тока выпускаются с двумя или более группами вторичных обмоток, одна из которых подключается к защитным устройствам, другая — к устройству измерения, например к счетчикам.

Почти во всех современных сетевых блоках питания, в разнообразных инверторах, в сварочных аппаратах, и в прочих силовых и маломощных электрических преобразователях применяются импульсные трансформаторы. Сегодня импульсные схемы почти полностью вытеснили тяжелые низкочастотные трансформаторы с сердечниками из шихтованной стали.

Типичный импульсный трансформатор представляет собой трансформатор выполненный на ферритовом сердечнике. Форма сердечника (магнитопровода) может быть совершенно различной: кольцо, стержень, чашка, Ш-образный, П-образный. Преимущество ферритов перед трансформаторной сталью очевидно – трансформаторы на феррите могут работать на частотах до 500 и более кГц.

Поскольку импульсный трансформатор является высокочастотным трансформатором, то и габариты его с ростом частоты значительно снижаются. На обмотки требуется меньше провода, а для получения высокочастотного тока в первичной цепи достаточно полевого, IGBT или биполярного транзистора, иногда — нескольких, в зависимости от топологии импульсной схемы питания (прямоходовая – 1, двухтактная – 2, полумостовая – 2, мостовая — 4).

Справедливости ради отметим, что если применяется обратноходовая схема питания, то трансформатор по сути является сдвоенным дросселем, поскольку процессы накопления и отдачи электроэнергии во вторичную цепь разделены во времени, то есть они протекают не одновременно, поэтому при обратноходовой схеме управления это все же дроссель, а не трансформатор.

Импульсные схемы с трансформаторами и дросселями на феррите встречаются сегодня всюду, начиная от балластов энергосберегающих ламп и зарядных устройств различных гаджетов, заканчивая сварочными аппаратами и мощными инверторами.

Импульсный трансформатор тока

Для измерения величины и (или) направления тока в импульсных схемах часто применяют импульсные трансформаторы тока, представляющие собой ферритовый сердечник, зачастую — кольцевой (тороидальный), с единственной обмоткой. Через кольцо сердечника продевают провод, ток в котором нужно исследовать, а саму обмотку нагружают на резистор.

Например, кольцо содержит 1000 витков провода, тогда соотношение токов первичной (продетый провод) и вторичной обмотки будет 1000 к 1. Если обмотка кольца нагружена на резистор известного номинала, то измеренное напряжение на нем будет пропорционально току обмотки, а значит измеряемый ток в 1000 раз больше тока через этот резистор.

Промышленностью выпускаются импульсные трансформаторы тока с различными коэффициентами трансформации. Разработчику остается только подключить к такому трансформатору резистор и схему измерения. Если требуется узнать направление тока, а не его величину, то обмотка трансформатора тока нагружается просто двумя встречными стабилитронами.

Связь между электрическими машинами и трансформаторами

В курсы электрических машин, изучаемые на всех электротехнических специальностях учебных заведений, включают всегда и электрические трансформаторы. По существу, электрический трансформатор — не электрическая машина, а электрический аппарат, так как он не имеет движущихся частей, наличие которых является характерным признаком всякой машины как разновидности механизма. По этой причине упомянутые курсы следовало бы, во избежание недоразумений, называть «курсами электрических машин и электрических трансформаторов».

Включение трансформаторов во все курсы электрических машин объясняется двумя причинами. Одна из них — исторического происхождения: те же заводы, которые строили электрические машины переменного тока, строили и трансформаторы, так как лишь наличие трансформаторов давало то преимущество машинам переменного тока над машинами постоянного тока, которое в конечном счете привело к их преобладанию в промышленности. И сейчас нельзя представить себе крупной установки переменного электрического тока без трансформаторов.

Однако, по мере развития производства машин переменного тока и трансформаторов, сделалось необходимым сосредоточение производства трансформаторов на специальных трансформаторостроительных заводах. Дело в том, что, в связи с возможностью передачи электроэнергии переменного тока при помощи трансформаторов на большие расстояния, рост высшего напряжения трансформаторов шел значительно быстрее, чем рост напряжения электрических машин переменного тока.

На нынешней стадии развития электрических машин переменного тока наивысшим рациональным напряжением для них является 36 кВ. В то же время высшее напряжение в реально осуществленных электрических трансформаторах достигло 1150 кВ. Столь высокие напряжения трансформаторов и работа их на воздушные линии электропередачи, подверженные воздействию грозовых разрядов, породили много специфических трансформаторных проблем, чуждых электрическим машинам.

Это привело при производстве к технологическим проблемам, столь отличающимся от технологических проблем электромашиностроения, что выделение трансформаторов в самостоятельное производство стало неизбежным. Таким образом, первая причина — производственная связь, роднившая трансформаторы с электрическими машинами, исчезла.

Вторая причина — принципиального характера, состоящая в том, что в основе применяемых на практике электрических трансформаторов, так же как и электрических машин, лежит принцип электромагнитной индукции (закон Фарадея), — остается незыблемой связью между ними. При этом, для понимания многих явлений в машинах переменного тока, знание физических процессов, протекающих в трансформаторах, совершенно необходимо и, кроме того, теория большого класса машин переменного тока может быть сведена к теории трансформаторов, благодаря чему облегчается их теоретическое рассмотрение.

В силу этого, в теории машин переменного тока теория трансформаторов занимает прочное место, из чего, однако, не следует, что трансформаторы можно называть электрическими машинами. Кроме того, нужно иметь в виду, что у трансформаторов целевая установка и процесс преобразования энергии другие, чем у электрических машин.

Цель электрической машины состоит в том, чтобы преобразовать механическую энергию в электрическую энергию (генератор) или, обратно, электрическую энергию в механическую энергию (двигатель), между тем, в трансформаторе мы имеем дело с преобразованием электрической энергии переменного тока одного вида в электрическую энергию переменного тока другого вида.

Импульсные трансформаторы. Виды и особенности. Применение

Импульсные трансформаторы, служащие для передачи коротких импульсов с наименьшими искажениями и действующими в переходных процессах, используются в устройствах импульсного типа.

Импульсные трансформаторы дают возможность изменить уровень и полярность образуемого импульса тока или напряжения, согласовать сопротивление устройства, генерирующего импульсы, с сопротивлением потребителя нагрузки, а также разделить потенциалы приемника и источника импульсов, принимать на отдельных нагрузках импульсные сигналы только от одного генератора, создавать обратную связь в схеме импульсного прибора. Они также применяются в качестве преобразовательного компонента.

Создание мощных импульсов определенных параметров возможно только с использованием импульсных трансформаторов высокого напряжения. Форма импульсов на выходе зависит от свойств таких трансформаторов. Это актуально при значительном коэффициенте трансформации.

Использование повышающих импульсников дает возможность намного сократить габаритные размеры, массу и цену устройства, хотя это отрицательно сказывается на виде импульсов, так как увеличивается длина среза, фронта и неравномерность формы вершины. Значение коэффициента трансформации повышается до 20 при длине импульсов в несколько десятков микросекунд.

Сфера использования

Основная область использования импульсных трансформаторов – это импульсные устройства: газовые лазеры, генераторы на триодах, дифференцирующие трансформаторы, магнетроны и т. д.

Многие современные радиоэлектронные устройства не обходятся без таких видов трансформаторов. Они применяются в импульсных источниках питания, компьютерах, современных телевизорах. Наиболее важной функцией импульсников является стабилизация напряжения выхода в рабочем режиме.

Другой областью их использования является защита от короткого замыкания на нагрузке при холостом ходе, и защита от чрезмерного возрастания напряжения, а также перегрева устройств.

Требования

Конструктивно импульсные трансформаторы выполняются с предъявлением большого комплекса требований, которые делятся на:

Технико-экономические.
Эксплуатационные.
Функциональные.

Технико-экономические требования

Наименьшие потери энергии.
Габаритные размеры.
Вес.
Цена.
Трудоемкость изготовления.
Доступность технологии.
Возможность применения в устройстве доступных материалов.

Степень исполнения этих требований зависит от свойств используемых материалов, а также уровня технологического процесса. Из материалов могут применяться разные диэлектрики, проводники, магнитные и различные конструкционные материалы.

Такие требования обладают некоторой условностью, так как могут значительно изменяться в зависимости от обстоятельств. Например, если единственным приемлемым методом с технической точки зрения создания импульсов определенных параметров является использование импульсного трансформатора, то технико-экономические показатели уже не будут иметь такой важности.

Эксплуатационные требования

Высокая надежность в работе является одним из важных эксплуатационных требований, которые предъявляются к импульсным трансформаторам.

Их надежность определяется следующими параметрами:

Прочность электрических материалов.
Устойчивость к воздействию климатических факторов.
Устойчивость к механическим повреждениям.
Термостойкость.
Перегрузочная способность в аварийном режиме.

Функциональные требования

Эти требования относятся к величинам главных электрических параметров: форма и мощность импульса, напряжение. На практике не всегда представляется техническая возможность обеспечить все требования функциональности.

Конструкция и виды

Разнообразие видов и конструктивных особенностей обусловлено широкой популярностью импульсных трансформаторов, и зависит от следующих факторов:

Вид формы импульсов.
Мощность.
Напряжение.
Требования эксплуатации.
Назначение.

Импульсные трансформаторы бывают нескольких видов:

Стержневой.
Броневой.
Бронестержневой.
Тороидальный.

Распространенной формой сечения сердечника трансформатора является прямоугольная и круглая формы, подобные силовым моделям трансформаторов.

На схемах параметры трансформаторов имеют свои обозначения:

l – длина магнитной линии;
l _1, l ₂ – наружная и внутренняя длина линии;
h – длина обмотки, цифра обозначает номер обмотки;
h ₀ – ширина окна стержневых и броневых модификаций, длина ярма тороидальных видов;
Δ – толщина обмотки, цифра обозначает толщину изоляции между обмотками;
А ₁, А ₂ – толщина обмоток;
a, b, c – размеры сечения сердечника;
S, S ₁ – площадь сечений сердечника (рабочего и геометрического);
k _a – коэффициент наполнения сечения сталью;
w – число витков в катушке;
n – коэффициент трансформации;
λ – коэффициент использования длины сердечника.

Стержневые импульсные трансформаторы

В этой модели обмотки охватывают магнитопровод. В таком устройстве легко изолировать и обслуживать обмотки, которые имеют возможность для хорошего охлаждения.

Броневые импульсные трансформаторы

Здесь обмотки охватываются магнитопроводом, и образуют своеобразную «броню». Такие модели устанавливают для маломощных устройств, они имеют меньше проводников обмоток.

Бронестержневой вид

Устройство этого вида представляет собой среднюю конструкцию между броневым и стержневым видом. Остальные параметры идентичны.

Тороидальные импульсные трансформаторы

Магнитопровод выполнен в виде фигуры тора. Трансформатор небольшой массы и размеров. Параметры достигают повышенной плотности тока, так как есть хорошее охлаждение обмотки. Намагничивание имеет низкие показатели.

Особенности конструкций

Основной особенностью импульсников является малое число витков. Наиболее экономичными стали тороидальные устройства, а менее экономными – бронестержневые.

Цилиндрическая обмотка обладает свойством малой индуктивности рассеяния, имеет простую конструкцию и технологична в изготовлении. Расположение и число слоев может быть различным, так же, как и схемы их соединений.

В устройстве трансформатора применяется два вида подключения обмоток: автотрансформаторный и трансформаторный.

При необходимости снижения индуктивности рассеяния применяют автотрансформаторное подключение. Обмотки могут иметь несколько слоев и находиться на разных стержнях. Популярными стали обмотки с одним слоем, так как они более надежны и просты. Небольшой индуктивности рассеяния добиваются путем наибольшего использования длины магнитопровода для обмоток, которые располагают на двух стержнях.

Виды обмоток

Спиральные . Применяются для трансформаторов с наименьшей индуктивностью рассеяния. Их применение целесообразно при автотрансформаторном подключении. Намотка производится тонкой и широкой фольгой или лентой.
Конические . Предназначены для снижения индуктивного рассеяния с незначительным повышением емкости обмоток. Их особенностью является толщина изоляции слоев, которая прямо зависит от напряжения между витками первичной и вторичной обмотки. Толщина изоляции повышается от начала к концу обмоток по линейной зависимости.
Цилиндрические . Имеют низкую индуктивность рассеяния, хорошую технологичность и простую конструкцию.

Потери энергии

Важной проблемой при создании конструкции импульсных трансформаторов является снижение потерь энергии и повышение его КПД.

Потери складываются из:

Потери от гистерезиса.
Магнитной вязкости.
Некачественная изоляция.
Вихревые токи.

Кроме простого расчета потерь, для магнитопровода используют высоколегированные марки стали. Это позволяет уменьшить потери и приблизить форму петли гистерезиса к форме прямоугольника. Такие материалы предназначены для обеспечения значительных параметров индукции.

Вихревые токи искусственно разъединяют. А также применяют конструкции магнитных систем с наибольшей магнитной проницаемостью. Такими способами добиваются стабильных параметров вихревого тока в магнитопроводе.

Применяемые материалы

Вид магнитного материала значительно влияет на показатели качества и работу импульсного режима. Материал изготовления сердечника магнитопровода оценивается по значениям величин, которые определяют качество свойств:

Удельное сопротивление применяемых материалов прибора.
Индукция насыщения.
Возможность применения самых тонких листов стали или лент.
Коэрцитивная сила.

Электротехническая сталь

Импульсные трансформаторы предпочтительно оснащать магнитопроводами, изготовленными из электротехнической стали марок от 3405 до 3425, которые имеют наиболее высокие значения индукции насыщения и низкие параметры коэрцитивной силы, а также наибольшее значение величины прямоугольности формы петли гистерезисного цикла. Такой материал в настоящее время приобрел большую популярность.

Пермаллой

Этот материал является прецизионным сплавом, обладающим магнито-мягкими свойствами. Он чаще всего состоит из железа и никеля, с добавлением легирующих элементов.

Ферриты

Другим очень востребованным материалом для изготовления импульсных трансформаторов, а точнее, его сердечника являются ферритовые материалы. Они имеют малую длительность трансформируемых импульсов. Такие магнитопроводы обладают повышенным удельным сопротивлением и не имеют потерь от вихревых токов. Они применяются для импульсных трансформаторов с интервалом импульсов, который измеряется несколькими наносекундами.

Что такое импульсный трансформатор и как его рассчитать?

Импульсные трансформаторы (ИТ) являются востребованным прибором в хозяйственной деятельности. Часто устанавливают в блоки питания бытовой, компьютерной, специальной техники. Импульсный трансформатор своими руками создают мастера с минимальным опытом работы в области радиотехники. Что это за устройство, а также принцип работы будут рассмотрены далее.

Область применения

Задача импульсного трансформатора заключается в защите электрического прибора от короткого замыкания, чрезмерного увеличения значения напряжения, нагрева корпуса. Стабильность блоков питания обеспечена импульсными трансформаторами. Подобные схемы применяются в триодных генераторах, магнетронах. Импульсник применяется при работе инвертора, газового лазера. Данные приборы устанавливают в схемах в качестве дифференцирующего трансформатора.

Радиоэлектронная аппаратура основана на трансформаторной способности импульсных преобразователей. При использовании импульсного блока питания организовывается работа цветного телевизора, обычного компьютерного монитора и т. д. Помимо обеспечения потребителя током требуемой мощности и частоты, трансформатором выполняется стабилизация значения напряжения при работе оборудования.

Видео: Как работает импульсный трансформатор?

Требования к приборам

Преобразователи в блоках питания обладают рядом характеристик. Это функциональные устройства, имеющие определенную габаритную мощность. Они обеспечивают правильное функционирование элементов в схеме.

Импульсный бытовой трансформатор обладает надежностью и высоким перегрузочным порогом. Преобразователь отличается стойкостью к механическим, климатическим воздействиям. Поэтому схема импульсного блока питания телевизоров, компьютеров, планшетов. отличается повышенной электрической устойчивостью.

Приборы обладают небольшой габаритной характеристикой. Стоимость представленных агрегатов зависит от области применения, трудозатрат на изготовление. Отличие представленных трансформаторов от иных подобных приборов заключается в их высокой надежности.

Принцип работы

Рассматривая, как работает агрегат представленного типа, нужно понять отличия между обычными силовыми установками и устройствами ИТ. Намотка трансформатора имеет разную конфигурацию. Это две катушки, связанные магнитоприводом. В зависимости от количества витков первичной и вторичной намотки, на выходе создается электричество с заданной мощностью. Например, в трансформаторе преобразовывается напряжение 12 в 220 В.

На первичный контур подаются однополярные импульсы. Сердечник остается в состоянии постоянного намагничивания. На первичной намотке определяются импульсные сигналы прямоугольной формы. Интервал между ними во времени короткий. При этом появляются перепады индуктивности. Они отражаются импульсами на вторичной катушке. Эта особенность является основой принципов функционирования подобного оборудования.

Разновидности

Выделяют разные типы импульсной схемы силового оборудования. Агрегаты отличаются в первую очередь формой конструкции. От этого зависят эксплуатационные характеристики. По виду обмотки различают агрегаты:

Тороидальный.

Поперечное сечение сердечника бывает прямоугольное, круглое. Маркировка обязательно содержит информацию об этом факте. Также различают тип обмоток. Катушки бывают:

В первом случае индуктивность рассеивания будет минимальной. Представленный тип преобразователя применяется для автотрансформаторов. Намотка при этом выполняется из фольги или тенты из специального материала.

Цилиндрический тип обмотки характеризуется низким показателем рассеивания индуктивности. Это простая , технологичная конструкция.

Конические разновидности значительно уменьшают рассеивание индуктивности. Емкость обмоток при этом мало увеличивается. Изоляция между двумя слоями обмоток пропорциональна напряжению между первичными витками. Толщина контуров увеличивается от начала к концу.

Представленное оборудование отличается различными эксплуатационными характеристиками. В их число входят габаритная мощность, напряжение на первичной, вторичной обмотке, масса и размер. При указании маркировки учитываются перечисленные характеристики.

Преимущества

Блоки питания с импульсным устройством обладают массой достоинств перед аналоговыми приборами. Именно по этой причине их подавляющее большинство изготавливается по представленной схеме.

Трансформаторы импульсного типа отличаются следующими преимуществами:
1. Малый вес.
2. Низкая цена.
3. Повышенный уровень КПД.
4. Расширенный диапазон напряжения.
5. Возможность встроить защиту.
Меньшим весом конструкция обладает из-за увеличения частоты сигнала. Конденсаторы уменьшаются в объеме. Схема их выпрямления наиболее простая.

Сравнивая обычные и импульсные блоки питания, видно, что в последних потери энергии сокращаются. Они наблюдаются при переходных процессах. КПД при этом может составлять 90-98%.

Меньшие габариты агрегатов позволяют снизить затраты на производство. Материалоемкость конечного продукта значительно уменьшается. Запитывать представленные аппараты можно от тока с различными характеристиками. Цифровые технологии, которые применяются при создании малогабаритных моделей, позволяют применять в конструкции специальные защитные блоки. Они предотвращают появление короткого замыкания, прочие аварийные ситуации.

Единственным недостатком импульсных разновидностей устройств является появление высокочастотных помех. Их приходится подавлять различными методами. Поэтому в некоторых разновидностях точных цифровых приборов подобные схемы не используются.

Разновидности материалов

Представленное оборудование изготавливается из различных материалов. Создавая блоки питания представленного типа, потребуется рассмотреть все возможные варианты. Применяются следующие материалы:
1. Электротехническая сталь.
2. Пермаллой.
3. Феррит.
Одним из лучших вариантов является альсифер. Однако его практически не найти в свободной продаже. Поэтому, желая создать оборудование самостоятельно, его не рассматривают в качестве возможного варианта.

Чаще всего для создания сердечника применяется электротехническая сталь марок 3421-3425, 3405-3408. Магнитно-мягкими характеристиками известен пермаллой. Это сплав, который состоит из никеля и железа. Его легируют в процессе обработки.

Для импульсов, интервал которых находится в пределах наносекунды, используется феррит. Этот материал имеет высокое удельное сопротивление.

Расчет

Чтобы создать и намотать трансформаторные контуры самостоятельно, потребуется произвести расчет импульсного трансформатора. Применяется специальная методика. Сначала определяют ряд исходных характеристик оборудования.

Например, на первичной обмотке установлено напряжение 300 В. Частота преобразования равняется 25 кГц. Сердечник выполнен из ферритового кольца типоразмером 31 (40х25х11). Сначала потребуется определить площадь сердечника в поперечном сечении:

П = (40-25)/2*11 = 82,5 мм².

Далее можно просчитать минимальное количество витков:

На основе полученных данных можно найти диаметр сечения провода, который потребуется для создания контуров:

Д = 78/181 = 0,43 мм.

Площадь сечения в этом случае равняется 0,12 м². Максимально допустимый ток на первичной катушке при таких параметрах не должен превышать 0,6 А. Габаритную мощность можно определить по следующей формуле:

ГМ = 300 * 0,6 = 180 Вт.

На основе полученных показателей можно самостоятельно рассчитать параметры всех составляющих будущего прибора. Создать трансформатор этого типа станет увлекательным занятием для радиолюбителя.

Подобный аппарат является надежным и качественным при правильной последовательности всех действий. Расчет проводится для каждой схемы индивидуально. При изготовлении подобного оборудования вторичная обмотка должна замыкаться на нагрузку потребителя. В противном случае прибор не будет считаться безопасным.

От типа сборки, материалов и прочих параметров зависит работа трансформатора. Качество схемы напрямую зависит от импульсного блока. Поэтом расчетам, выбору материалов уделяется высокое значение.

Интересное видео: Импульсный трансформатор своими руками

Рассмотрев особенности импульсных трансформаторов, можно понять их важность для многих радиоэлектронных схем. Создать подобное устройство самостоятельно можно только после соответствующего расчета.

Импульсный трансформатор — виды, принцип работы, формулы для расчета

Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) — важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.

Различные модели импульсных трансформаторов

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:
- стержневом; Конструкция стержневого импульсного трансформатора
- броневом; Конструкция импульсного трансформатора в броневом исполнении
- тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник); Конструктивные особенности бронестержневого импульсного трансформатора
На рисунках обозначены:
- A — магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
- В — катушка из изолирующего материала
- С — провода, создающие индуктивную связь.
Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.

Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.

Принцип работы

Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Схема: подключение импульсного трансформатора

Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

Временная диаграмма иллюстрирующая работу импульсного трансформатора

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е_(t), временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала t_u, после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t_u).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ_p=L₀/R_н

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В_max — В_r
- В_max – уровень максимального значения индукции;
- В_r –остаточный.
Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

График смещения

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U₂, в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i_u).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t_u остается неизменным, его значение е_t=U_m_. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:
- Ψ — параметр потокосцепления;
- S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.
Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром t_u , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на t_u. В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, — перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:
- L₀ — перепад индукции;
- µ_а — магнитная проницаемость сердечника;
- W₁ — число витков первичной обмотки;
- S — площадь сечения сердечника;
- l_cр — длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
- В_r — величина остаточной индукции;
- В_max – уровень максимального значения индукции.
- H_m — Напряженность магнитного поля (максимальная).
Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µ_а, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра В_r, отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ . Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.

Схема преобразователя

В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Р_н.

Значение Р_н отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Р_гб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:

Необходимые для вычисления параметры:
- S_c – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
- S₀ – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);
(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина U_I определяется выражением:

U_I=U/2-U_э ( U – питающее преобразователь напряжение; U_э— уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:

Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

Осталось рассчитать выходную обмотку ИТ, а именно, количество витков провода и его диаметр:

Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.

Трансформаторы. Описание, типы, классификация трансформаторов. Измерительные, силовые, импульсные трансформаторы.

Электрический трансформатор – это устройство, предназначенное для изменения величины напряжения в сети переменного тока. Принцип действия трансформаторов основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока, в обмотках генерируется магнитное поле, которые взывает ЭДМ во вторичных обмотках. Данная ЭДС пропорциональна числу витков в первичных и вторичных обмотках. Отношение электродвижующей силы в первичной обомотке/вторичной называется коэффициентом трансформации.

Основными элементами конструкции трансформатора являются первичные и вторичные обмотки и ферромагнитный магнитопровод (обычно замкнутого типа). Обмотки расположены на магнитопроводе и индуктивно связаны друг с другом. Использование магнитопровода позволяет саккумулировать большую часть магнитного поля внутри трансформатора, что повышает КПД устройства. Магнитопровод обычно состоит из набора металлических пластин, покрытых изоляцией, для предотвращения возникновения «паразитных» токов внутри магнитопровода.
Зачастую часть вторичной обмотки служит часть первичной и наоборот. Данный тип трансформаторов называют автотрансформаторами. В этом случае концы первичных обмоток подключаются к сети переменного напряжения, а концы вторичной присоединяются к потребителям электроэнергии.

Основная классификация трансформаторов.
- По назначению: измерительные трансформаторы тока, напряжения, защитные, лабораторные, промежуточные.
- По способу установки: наружные, внутренние, шинные, опорные, стационарные, переносные.
- По числу ступеней: одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные).
- По номинальному напряжения: низковольтные, высоковольтные.
- По типу изоляции обмоток: c сухой изоляцией, компаундной, бумажно-маслянной.
Основные типы трансформаторов

Силовые трансформаторы – наиболее распространенный тип электро. трансформаторов. Они предназначены для изменения энергии переменного тока в электросетях энергосистем, в сетях освещения или питания электрооборудования. Применяются для создания комплектных трансформаторных подстанций.
Классифицируются по количеству фаз и номинальному напряжения.
Наиболее известные низковольтные однофазные и трехфазные трансформаторы серии ТП и ОСМ.
Среди высоковольтных трансформаторов, наиболее используемые в данной момент в энергетике, трансформаторы ТМГ-с масляным охлаждением в герметичном баке.. Преимуществами данной серии вляется высокий КПД (до 99%), высокие показатели защиты от перегрева, высокие эксплуатационные характеристики, и минимальное обслуживание во время использования.
Помимо силовых, существуют трансформаторы различных типов и назначения: для измерения больших напряжений и токов (измерительные трансформаторы), для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное (пик-трансформаторы), для преобразования импульсов тока и напряжения (импульсные трансформаторы), для выделения переменной составляющей тока, для разделения электрических цепей на гальванически не связанные между собой части, для их согласования и т.д.

Измерительные трансформаторы– электротехнические устройства, предназначенные для изменения уровня напряжения с высокой точностью трансформации.
Классифицируются по назначению, изменению уровня напряжения или тока.
Также делятся на низковольтные трансформаторы тока типа Т, 066 ТШ-0,66, ТТИ-066 и Высоковольтные трансформаторы напряжения, такие как НАМИТ и ЗНОЛ.
Вторичные обмотки данных устройств соединены с измерительными устройствами (амперметрами, счетчиками электроэнергии, вольтметрами, фазометрами, реле тока и т.д.) Применение данного оборудования позволяет изолировать измеряющее оборудование от больших токов и напряжений измеряемой цепи, и создает возможность стандартизации измеряющего оборудования.

Автотрансформаторы – устройства, обмотки которого соеденены гальванически между собой. Благодыря малым коэффициентам трансформации, автотрансформаторы имеют меньшие габариты и стоимость оп сравнению с многообмоточными. Из недостатков необходимо отметить невозможность гальванической изоляции цепей.
Основные сферы использования автотрансформаторов – изменение напряжения в пусковых устройствах крупных электрических машин переменного тока, в системах релейной защиты при плавном регулировании напряжения. В случае реализации в конструкции автотрансформатора изменения количества рабочих витков вторичной обмотки, появляется возможность сохранять уровень вторичного напряжения при изменении первичного напряжения. Наибольшее распространение данный данный механизм используется в стабилизаторах напряжения.

Импульсный трансформатор – это устройство с ферромагнитным сердечником, используемый для изменения импульсов тока или напряжения.
Импульсные трансформаторы наиболее часто используются в электронновычислительных устройствах, системах радиолокации, импульсной радиосвязи и т.д. в качестве измерительного устройства в счетчиках электроэнергии.
Основное требование импульсным трансформаторам, – при изменении импульса форма импульса должна сохраняться. Это достигается максимальным уменьшением межвитковой емкости, индуктивности рассеивания за счет использования применением сердечников малой величины, взаимным расположение и уменьшением числа обмоток.

Пик-трансформатор – устройство, изменяющее напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Пик-трансформаторы применяются в качестве генераторов импульсов главным, высоковольтных исследовательских установках и системах автоматики..

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор – трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе. Рассмотрим особенности конструктивного устройства этой техники, область применения, выпускаемые разновидности и другие характеристики, связанные с данным оборудованием.

Конструкция и принцип работы

Импульсный трансформатор, по аналогии с другими идентичными устройствами, состоит из следующих элементов:
- первичной и вторичной обмоток;
- сердечника.
При подаче на входную катушку однополярных импульсов “е(t)” временной интервал между которыми довольно короткий, он вызывает возрастание индуктивности во время интервала t и , после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t и). Благодаря разнице в количестве витков на катушках входа и выхода и импульсному характеру подачи тока, получается добиться высокого коэффициента трансформации с сокращением габаритных размеров устройства.

Одновременно решаются задачи измерения уровня и полярности токового импульса или характеристик по напряжению, согласования значения сопротивления аппарата, создающего сигналы, с потребляющим оборудованием, создание схем обратной связи и пр.,

Подключение импульсного трансформатора

Область применения

По большей части указанные трансформаторы применяются в импульсных устройствах:
- газовых лазерах;
- триодных генераторах;
- дифференцирующих модулях;
- магнетотронах и др.
- стержневые;
- броневые;
- тороидальные, с намоткой провода на изолированный сердечник, не предполагающие применения катушек;
- бронестержневые.
Основные характеристики устройств нанесены на корпус, поэтому из условного обозначения можно почерпнуть информацию об главных параметрах оборудования.

Стоимость трансформатора

Цена на единицу продукции может колебаться от 50 до 700 рублей и выше, в зависимости от характеристик устройства. При покупке учитывается производитель изделия и размер приобретаемой партии. Наиболее дешево обойдётся продукция китайского производства, массово представленная на рынке.

Импульсные трансформаторы – устройства, без которых невозможно представить современную бытовую технику и промышленное производство. Эти аппараты обладают рядом преимуществ, по сравнению с аналогичным оборудованием, но в некоторых случаях сопутствующие недостатки не позволяют их использовать.

Преимущества и недостатки

Использование импульсных трансформаторов объясняется следующими преимуществами:
- высокими показателями выходной мощности;
- небольшой массой и габаритными размерами;
- высокой эффективностью, благодаря снижению энергетических потерь;
- меньшей ценой при сопоставимых характеристиках;
- высокой надёжностью по причине наличия схем защиты.
Разобранный импульсный трансформатор

Малая масса достигается посредством возрастания частоты импульса. Это приводит к уменьшению объёма конденсаторов и простоте схемы выпрямления.

Возрастание коэффициента полезного действия обеспечивается, благодаря сокращению энергетических потерь.

Уменьшение габаритов связано со снижением количества использованных материалов. Это основная причина удешевления данной продукции. Ещё одно достоинство малых размеров – возможность применения устройства в малогабаритных электротехнических изделиях.

Недостатки связаны со сложностью в ремонте по причине отсутствия в схеме гальванической развязки наличии помех высокой частоты, в связи с особенностями конструкции и принципа действия устройства.

Чтобы предупредить влияние высокочастотных помех, нередко приходится прибегать к использованию специальных защитных средств, если применяется оборудование, для которого такие факторы нежелательны. В некоторых случаях, в связи с помехами, применение импульсных трансформаторов оказывается невозможным.

Порядок проверки исправности

Для проверки исправности импульсного трансформатора используется аналоговый или цифровой мультиметр. Цифровое устройство обладает преимуществами, благодаря удобству применения. Его не нужно дополнительно подстраивать, достаточно убедиться в наличии питания и целостности проводов подключения.

Аналоговый мультиметр настраивается следующим образом:
- выбирается режим эксплуатации переключением в область минимальной величины сопротивления при измерении;
- провода вставляются в контакты прибора и соприкасаются друг с другом;
- специальной подстройкой стрелка выставляется на ноль;
Если совместить стрелку с нулём не получается, это говорит о проблемах с элементами питания, нуждающимися в замене.

Если трансформатор является составной частью некоторого аппарата, желательно отделить этот элемент от остальной конструкции, чтобы исключить воздействие сопутствующих помех при диагностике.

Проверка с помощью осцилографа:

Неисправность прибора может объясняться следующими проблемами:
- повреждённым сердечником;
- подгоревшими соединениями;
- нарушением изоляции проводов, вызывающим короткое замыкание обмотки;
- разрывом провода.
Кроме инструментальных измерений, необходимо обращать внимание на внешний вид аппарата. О неисправности может свидетельствовать подгоревшая обмотка, следы гари и соответствующий запах.

Процедура намотки

Если провод входной или выходной катушки не пригоден для дальнейшей эксплуатации, трансформатор можно перемотать. Для этого подбирается провод с двойной или тройной изоляцией, который необходимо намотать на сердечник.

Операция выполняется в следующем порядке:
- наматывается провод первичной катушки, после предварительного припаивания входного контакта. Витки наматываются равномерно и плотно;
- выходной конец провода припаивается в положенном месте;
- наносится изоляция в несколько слоёв;
- наматывается вторичная обмотка, с припаиванием входного и выходного концов.
Чтобы устройство работало нормально, провод наматывается равномерно, исключив узлы и перекручивания. Количество витков устанавливают, исходя из проведённого расчёта по характеристикам устройства.
Похожие записи: