Методика и формулы для расчета трансформаторного блока питания

Практически любой образец современной техники нуждается в трансформаторе. Этот элемент электрической сети предусматривают в схеме подключения для разделения сетей постоянного и переменного тока, соединений с разными напряжениями и т.д. В домашних условиях сделать простейший трансформатор в состоянии любой радиолюбитель, ничего сложного в состав устройства не входит, однако необходимо рассчитать трансформаторный блок питания.

Методика расчета импульсного трансформатора

Еще со школьной скамьи любой человек помнит, что эффективность преобразования зависит от количества витков на первичной и вторичной обмотке трансформатора, а сама работа устройства основана на явлении индуктивности. Но не совсем ясно, как учесть количество витков, соотнести первичную и вторичную обмотку с выбранным типом трансформатора, а так же учесть неизбежные потери напряжения.

Отмечу, что импульсный трансформатор можно считать простейшим представителем устройств. При этом в заводском варианте выпускают следующие типы подобных устройств:

1. Стержневой.
2. Броневой.
3. Тороидальный.
4. Бронестержневой.

Сразу скажу, что в статье речь пойдет именно о расчете тороидального трансформатора, поскольку именно этот вид устройства прост в изготовлении и расчете. Теоретически дома можно изготовить и стержневое устройство, но для него требуется обустройство катушки. К этому процессу предъявляются повышенные требования в плане аккуратности выполнения работ. Поэтому проще не замахиваться на изготовление заводской продукции в кустарных условиях, тем более что и тороидальные модели прекрасно работают.

Остальные же варианты трансформаторов и вовсе изготовить в условиях домашней мастерской невозможно. Если говорить о расчете, то в качестве исходных данных вам потребуется:

• Напряжение на входе. Его можно просто замерить в сети, хотя чаще всего этот параметр равен 220В.
• Параметры тока на выходе. Сюда в обязательном порядке относят напряжение и силу тока в сети после преобразователя.

Все остальное рассчитывается.

Вручную

Конечной целью расчета считается определение параметров на первичной и вторичной обмотке. Проблемой является необходимость определения трех параметров, которые простому человеку найти довольно сложно. В силу этой причины в СССР была разработана табличная методика расчета.

Стоит просто идти по строке, расчет строится на результатах проведенных в лабораториях опытов. То есть все формулы — чистая практика.

При помощи специального ПО

Существуют различные программы для обработки данных и расчета трансформатора. Сюда входит множество онлайн и оффлайн приложений. В отдельности стоит выделить программу ExcellentIT 8.1. Это бесплатное программное обеспечение от одного из постоянных обитателей форумов об электросиловых установка.

После запуска программы перед вами появится несколько окон с пустыми полями вводных данных. После их заполнения нажимается кнопка «Ок» и компьютер делает все за вас. Результаты вычислений ПО и ручного расчета примерно одинаковы, так как именно на основании табличной методики разработаны практически коды компьютерного обеспечения для расчета трансформаторов.

Примеры расчета

Порядок вычислений по таблице выглядит следующим образом:

Мощность вторичного пользователя

• Определим мощность вторичного пользователя трансформатора. Формулу изучали в 9 классе на уроках физики:

Р = U_{н *} I_н = 24*1,8 = 43,2 Вт – примем условное напряжение вторичного источника в 24 Вт и силу тока в 1,8 А. В общем и целом это рядовые значения электроники средней сложности

Но вот проблема, в таблице используется габаритная мощность. Для ее нахождения придется использовать КПД, а по таблице КПД определяется в зависимости от используемой габаритной мощности. Поэтому используем предположение, что габаритная мощность находится в том же числовом промежутке, что и вычисленное значение («Меньше 50»).

Габаритная мощность

Тогда мы знаем КПД=0,92 и можем посчитать габаритную мощность трансформатора.

• Р_г= Р/ η= 43,2 / 0,92 = 48Вт – а вот по этому значению уже можно выбирать дальнейшее решение, но это все та же категория «Меньше 50». Если бы габаритная мощность не попала в предполагаемый интервал, пришлось бы провести повторные вычисления для большего интервала. Если и больший интервал не подойдет, значит можно смело использовать меньший. Вычисления несложные, поэтому любое их количество все равно сэкономит время на поиск сложных параметров расчета.
• Определим площадь поперченного сечения. Согласно таблице формула выглядит так:

Результат получаем в см². Следующим шагом берется любой каталог с выпускаемыми в России сердечниками. В первую очередь нас интересуют сердечники из ферримагнитного железа. Проверяем выбор по соответствию посчитанной площади.

К примеру, нам может подойти модель сердечника – ОЛ50/80 – 40; его площадь поперечного сечения равняется 6, что можно считать практически равной посчитанной.

Количество витков

• Посчитаем количество витков на первой обмотке.

w₁ = 33.3/S = 33.3/6 = 5.55 витков на 1 вольт

Здесь нужно обратить внимание на две вещи. Во-первых, витки посчитаны на 1 вольт, то есть это еще не конечный результат. Во-вторых, для расчета использовалось значение не теоретического сердечника, а реального, подобранного в соответствии с посчитанной величиной поперечной площади.

Остальные витки

• Теперь в соответствие с формулами можно найти и оставшиеся значения витков:

W_1-1 = w₁ * U_с =5.55 * 220 = 1221 виток; W_1-2 = w₁ * U_н = 5,55 * 24 = 133 витка.

Импульсные трансформаторы отличаются тем, что потери в них преодолеваются с помощью активного сопротивления, а не плотности потока. Чтобы уменьшить потери мощности на этот процесс и приблизить расчеты к реальности, количество витков увеличивают на 3 процента. Во всем мире это значение признается достаточным для того, чтобы уменьшить потери.

W_1-2 = 133 * 1,03 = 137 витков

Диаметр провода обмотки

• Окончательным вычисление станет после определения требуемого диаметра провода обмотки:

d = 1,13 √(I / j)

Иначе говоря, сила тока делится на плотность потока, которую ищут по таблице, представленной внизу.

Так как мощность приближается к верхней границе интервала 10-50, выберем значение 4,5. Тогда диаметр можно посчитать как:

D=1,13 √(1,8 / 4,5)=0,71 мм – по заводской таблице выбрать подходящий вариант.

Возможные схематические решения

Схем подключения вторичной обмотки трансформаторов, да и вообще всей электроники две:

• Звезда, которая используется для повышения мощности сети.
• Треугольник, который поддерживает постоянное напряжение в сети.

Вне зависимости от выбранной схемы, наиболее трудными считается изготовление и подключение небольших трансформаторов. Сюда относится и столь популярный в запросах поисковиков аtx. Это модель, которая устанавливается в системных блоках компьютеров, и изготовить ее самостоятельно крайне трудно.

В число трудностей при изготовлении маленьких трансформаторов стоит отнести сложность обмотки и изоляции, правильного подключения вторичной обмотки вне зависимости от выбранной схемы, а так же сложности с поиском сердечника. Короче говоря, проще и дешевле такой трансформатор купить. А вот как выбрать подходящую модель – это совсем другая история.

Как подобрать подходящий трансформатор

Выбрать подходящий трансформатор можно большим количеством способов, но львиная доля это безысходность или незнание мастера. Выделим три наиболее простых и применимых в практике метода:

• Первый. Взять старый трансформатор, вышедший из строя. Посмотреть маркировку и найти в Интернете аналог. Если вдруг трансформатор требуется для иных целей, придется повозиться.
• Второй способ: практический. Для этого следует замерить напряжение и силу тока в сети, а затем посмотреть требуемые параметры устройства, которое планируется подключать через трансформатор. После этого нужно посчитать коэффициент трансформации и, вооружившись этими знаниями, идти выбирать подходящую модель.
• Третий способ: аналитический. Воспользоваться приведенным в статье расчетом или программным обеспечением, чтобы определить конкретные параметры модели. Если учесть, что в примере используются реальные сердечники и диаметры проводов, то реально найти устройство, которое будет соответствовать заявленным требованиям.

Можно ли использовать планарный трансформатор

Конечно, можно. Но, вопрос в том, нужно ли. Планарным трансформатором зовут устройство на основе распечатанной платы. Использование подобных моделей незаменимо для компактной техники, вроде телефонов, компьютеров и прочего.

Однако, если речь идет о замене или самостоятельном конструировании прибора, то столь инновационная технология не нужна в силу дороговизны и сложности монтажа.

Не нужно изобретать велосипед: есть целый ряд методик расчета, создания и монтажа традиционных трансформаторов, которые готовы выполнить для пользователя практически любую задачу. Использование планарного трансформатора оправдано только при предъявлении к устройству требования особой компактности и мобильности.