Transformátor ⭐ ve fyzice: definice, princip činnosti, účel a použití transformátoru

Proudové transformátory se používají v obvodech pro ochranu výkonových spínačů před nadproudem ve spínaných napájecích zdrojích (SMPS). Dalším faktorem při použití proudového transformátoru v SMPS je potřeba potenciálové izolace obvodů řídicího obvodu SMPS a obvodů výkonové části. Proto je jejich výpočet relevantní při vytváření SMPS. V tomto článku budeme podrobně zvažovat jednoduchý výpočet proudových transformátorů jednoduchých a push-pull SMPS. Výpočet jednocyklového transformátoru proudu. Počáteční údaje. Amplituda proudu vypínače I_{cl_max}= 3 A. Ochranné napětí řídicího obvodu U_def= 1 V. Maximální doba trvání pulsu t_imp.max.= 25 us. Minimální trvání pulzu t_min= 10 us. Frekvence spínání f_п= 20 kHz. Obrázek 1. Navrhované řešení pro získání signálu pro horní ochranný obvod výkonového spínače pomocí proudového transformátoru v PWM regulátoru zátěžového proudu. Řešení obsahuje proudový transformátor T1, proudový snímač – rezistor R2, dolní propust – rezistor R1 a kondenzátor C1. Toto řešení je také použitelné pro SMPS se sníženým výkonem. Výpočet. Pro normální činnost ochrany řídicího obvodu a eliminaci falešných poplachů je nutné snížit signál přiváděný na ochranný vstup o 25-30 %. Provozní napětí na proudovém snímači R2 by tedy mělo být: U_dt=U_def-30 % = 0,7 V. Pro výpočet proudového transformátoru je nutné zadat transformační poměr. Doporučení pro volbu transformačního poměru jsou založena na snížení proudu sekundárního vinutí na desítky nebo stovky miliampérů. Optimální rozsah je 50÷100 mA. V našem případě odebíráme proud sekundárního vinutí I_{w2_max}= 100 mA. Pak transformační poměr K_tr= (I_{cl_max})/(I_{w2_max})= 3/0,1=30 . Proudové transformátory mají obvykle jednu otáčku primárního vinutí. Pak počet závitů sekundárního vinutí w2=K_tr*w1=30*1=30 otáček . Vypočítejme odpor proudového snímače R2= (U_dt)/(I_{w2_max} )= 0,7/0,1=7 Ohm . Vybereme v souladu s řadou odporů E24, R2 = 7,5 Ohm. Dále provozní napětí proudového snímače a provozní napětí na vstupu ochranného obvodu U_dt= I_{w2_max}*R2=0,1*7,5=0,75 V. Tato hodnota splňuje směrnice. Pomocí vzorce vypočítáme výkon přidělený rezistoru R2 P_R2=(já_{w2_rms}) 2 * R2 . V našem případě pro obdélníkový proudový tvar I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((t_imp.max.)/T). Kde T = 1/f_п = 1/20000=0,00005=50*10 -6 ,sek. — perioda spínací frekvence. Pak I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((t_imp.max.)/T)=0,1*√((25*10-6)/(50*10-6))=0,0707 A. Proto P_R2= 0,0707 2 * 7,5 = 0,0375 VT Výkon přidělený rezistoru R2 je nízký. Při výběru jádra proudového transformátoru se řídíme následujícími doporučeními. Pro vysokofrekvenční (desítky až stovky kHz) SMPS se jako materiál jádra používají hlavně ferity. Typ jádra může být jakýkoli, ale přednost se dává kruhovým jádrům. Kruhové jádro lze snadno umístit na napájecí vodič nebo na svorku součásti SMPS. Například takové konstrukční řešení se často vyskytuje u napájecích zdrojů pro osobní počítače. Proudový transformátor je tam instalován na výstupu oddělovacího kondenzátoru. Drát procházející přímo kroužkem představuje 1 otáčku. Požadovaný průřez jádra určíme pomocí vzorce S_umění.= (U_dt*t_imp.max.)/(š2*dB) mm2. Kde: S_umění. – průřez jádra v milimetrech čtverečních. U_dt – provozní napětí na snímači proudu, volty. t_imp.max. – maximální trvání pulzu v mikrosekundách. w2 – počet závitů sekundárního vinutí, závitů. dB – rozdíl v magnetické indukci při pulsu, Tesla. Doporučení pro výběr dB. Pro jednocyklové aplikace dB nesmí překročit hodnotu 0,05 t. V opačném případě může dojít k nasycení jádra a tvar pulsu na aktuálním snímači nebude ani zdaleka skutečný. Pak: S_umění.= (U_dt*t_imp.max.)/(w2*dB)= (0,7*25)/(30*0,05)= 11,7 mm2. Vybíráme jádro z feritu 2000NM1, standardní velikost K16×10×4,5 s průřezem jádra S_umění.= 13,5 mm2 . Průřez vybraného jádra musí být nutně větší než vypočítaný. Volba jádra musí zohledňovat způsob montáže proudového transformátoru. Pokud je například proudový transformátor upevněn šroubem, pak by měl vnitřní průměr jádra umožnit umístění vinutí, šroubu a izolace. Při tomto způsobu upevnění lze šroub použít jako otáčku primárního vinutí. Nízkofrekvenční filtr R1 – C2 je určen k filtrování vysokofrekvenčního rušení, které se nevyhnutelně objeví při přepnutí vypínače. Doporučení pro výběr: Časová konstanta filtru by měla být mnohem menší než minimální doba trvání pulsu τ=R1*C2≪t_min . To se provádí, aby se zabránilo zkreslení tvaru pulsu. Přijmeme τ=(1/20)*t_min= (1/20)*10*10-6 =0,5 μs. Nastavíme hodnotu kapacity kondenzátoru řady E24, С2=470 pF . Pak R1= τ/C2= (0,5*10-6)/(470*10-12)=1064 Ohm. Hodnotu rezistoru R1 volíme z řady E24 1,1 kOhm. Dalším z hlavních důvodů pro použití proudových transformátorů je přidělení vysokého výkonu proudovému snímači v beztransformátorovém obvodu. U vysokoproudých SMPS vede použití jednoduchého odporu jako proudového senzoru k uvolnění několika wattů energie. Jako příklad uvažujme případ, kdy je proud klíče 10 A a jako proudový snímač je použit jednoduchý odpor. Zbývající počáteční data jsou stejná jako v našem výpočtu výše. Poté zajistit U_dt= 0,7 V proudový snímač musí mít odpor R_dt=U_dt/I_{cl_max} = 0,7/10 = 0,07 Ohm. Pak I_{cl_rms}=I_{cl_max}*√ (t_imp.μsa./T)=10*√(25*10-6)/(50*10-6)=7,07 A. Výkon uvolněný na aktuálním snímači bude P_{R_dt} = (7,07)*2=0,07 W. Pro spolehlivý provoz SMPS budete muset nainstalovat odpor s výkonem alespoň 5 wattů. Použití proudového transformátoru v tomto případě sníží výkon uvolněný na proudovém snímači desetinásobně. Výpočet je dokončen. Simulace činnosti jednocyklového proudového transformátoru v programu Multisim. Obrázek 2 Model klíče s proudovým transformátorem. Jak je vidět ze snímku obrazovky, sonda 1 (připojená k zátěži) ukazuje amplitudu proudu procházející zátěží 3,01 A. Sonda 2 (připojená k proudovému senzoru) ukazuje amplitudu proudu proudovým senzorem 100 mA. Hodnota efektivního proudu je 70,8 mA. Amplituda napětí na proudovém snímači je 751 mV. Frekvence 20 kHz. Wattmetr připojený k proudovému senzoru ukazuje výkon 37,4 miliwattů. Všechny hodnoty potvrzují výpočet. Obrázek 3. Oscilogramy napětí na proudovém snímači a filtračním kondenzátoru. Jak je patrné z oscilogramů, amplituda napětí na proudovém snímači je 751 mV a odpovídá výpočtu. Napěťový oscilogram na filtračním kondenzátoru ukazuje malé poklesy v přední a zadní části pulsu, způsobené nabíjením a vybíjením kapacity filtru. V tomto případě nejsou pozorovány žádné významné změny tvaru pulzu a amplituda pulzu zůstává nezměněna. Konečné rozhodnutí o hodnotách filtračního odporu a kondenzátoru se učiní při nastavování SMPS. DŮLEŽITÉ! Při instalaci proudového transformátoru do jednocyklových SMPS je nutné dodržet fázování vinutí! V opačném případě bude mít napěťový impuls na snímači proudu zápornou polaritu a ochranný obvod nebude fungovat. Výpočet push-pull transformátoru proudu. Počáteční údaje. Maximální proud výkonových spínačů I_{cl_max}= 2 A . Odezva ochranného obvodu U_def= 1 V . Maximální doba trvání pulsu t_imp.max.= 10 us. Minimální trvání pulzu t_min= 5 us. Frekvence spínání f_п= 40 kHz. Obrázek 4. Navrhované řešení pro příjem signálu pro ochranný obvod výkonového spínače pomocí proudového transformátoru v polomůstkovém SMPS. Řešení obsahuje proudový transformátor T1, proudový snímač – rezistor R1, usměrňovač VD3 – VD6, seřizovací rezistor R3, dolní propust – rezistor R2 a kondenzátor C4. Výpočet. Protože obvod používá regulační odpor R3, aby bylo zajištěno, že vstupní signál ochranného obvodu je 0,75 V při 50% regulaci R3, napětí přivedené na R3 se musí rovnat U_R3= 1,5 V. Provozní napětí na proudovém snímači musí brát v úvahu úbytek napětí na dvou usměrňovacích diodách. U vysokorychlostních pulzních diod je pokles napětí v zapnutém stavu při nízkých proudech asi 0,7 V. Potom: U_dt=U_R3+ 2*U_VD= 1,5 + 2 * 0,7 = 2,9 V. Vezměme proud sekundárního vinutí I_{w2_max}= 100 mA. Pak transformační poměr K_tr= I_{cl_max}/I_{w2_max} = 2/0,1 = 20 . Pak počet závitů sekundárního vinutí w2=K_tr*w1=20*1=20 otáček. Vypočítejme odpor proudového snímače R1 = U_dt/I_{w2_max} = 2,9/0,1 = 29 Ohm . Vybereme v souladu s řadou odporů E24, R1 = 30 Ohm. Výkon přidělený rezistoru R1 vypočítáme pomocí vzorce P_R1= (Já_{w2_rms}) 2 *R1 . V našem případě pro obdélníkový proudový tvar I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((2*t_imp.max.)/T) . Kde T = 1/f_п = 1/40000=0,000025=25*10 -6 ,sek. — perioda spínací frekvence. Pak I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((2*t_imp.max.)/T)=0,1*√(2*10*10-6)/(25*10-6)=0,089 A. Proto P_R1= 0,089 2 * 30 = 0,24 W . Výkon přidělený rezistoru R1 je nízký. Pro normální provoz musíte zvolit rezistor se ztrátovým výkonem alespoň 0,5 W. Určíme požadovaný průřez jádra. Doporučení pro výběr dB. Ferit třídy 2000NM1 má hodnotu saturační magnetické indukce 0,34 Tesla. Maximální provozní hodnota magnetické indukce je 0,31 Tesla. Při takové hodnotě indukce a vysoké spínací frekvenci jsou však ztráty v jádře značné. Výrobci feritu normalizují hodnotu ztráty při maximální indukci 0,2 T a frekvenci 16 kHz. Předpokládá se, že ztráty v aktivní zóně jsou přijatelné a nezpůsobují závažné přehřívání aktivní zóny. Vzhledem k tomu, že naše spínací frekvence je 40 kHz, je nutné dále snížit maximální provozní hodnotu indukce. Proto volíme maximální provozní hodnotu magnetické indukce В_макс= 0,1 T. Pak dB=2*V_макс= 2 x 0,1 = 0,2 T. Pak: S_umění.= (U_dt*t_imp.max.)/(w2*dB)= (3*10)/(20*0,2)= 7,5 mm2. Vybíráme jádro z feritu 2000NM1, standardní velikost K10×6×4,5 s průřezem jádra S_umění.= 9 mm2 . Konstrukčně je proudový transformátor umístěn na desce s plošnými spoji a jedna z vývodů oddělovacího kondenzátoru prochází okénkem jádra a je závitem primárního vinutí. Počet závitů sekundárního vinutí není velký a umožní umístění vinutí v jedné vrstvě. Na základě výše uvedeného neměníme standardní velikost jádra.

Nastavení odporu R3 vám umožní upravit práh odezvy. Hodnota odporu R3 by měla být mnohem větší než hodnota rezistoru proudového snímače. To je nutné pro eliminaci vlivu odporu rezistoru R3 na vznik úbytku napětí na proudovém snímači R1. Proto volíme hodnotu odporu R3 – 1 kOhm, která je mnohem větší než hodnota R1. Přijmeme τ=(1/20)*t_min= (1/20)*5*10-6 =0,25 μs. Nastavíme hodnotu kapacity kondenzátoru řady E24, С4=240 pF . Pak R1= τ/C2= (0,25*10-6)/(240*10-12)=1041 Ohm. Ale! Protože počítáme na 50 % pohonu rezistoru R3, znamená to, že rezistor R3 ovlivní náboj kondenzátoru C2. Při 50% instalaci motoru je to 500 Ohmů. Potom je hodnota odporu R1 = 1041 – 500 = 541 Ohm. Výběr hodnoty odporu R1 = 510 Ohm. Při instalaci proudového transformátoru v push-pull SMPS není třeba dodržovat fázování vinutí. Výpočet je dokončen. Simulace činnosti push-pull proudového transformátoru v programu Multisim. Obrázek 5. Model polomůstku SMPS s proudovým transformátorem. Jak je patrné ze snímku obrazovky, Sonda 1 (připojená ke kolektoru horního tranzistoru) ukazuje amplitudu proudu spínačem 2,02 A. Wattmetr připojený k proudovému senzoru ukazuje výkon 236 miliwattů. Tyto hodnoty odpovídají původním datům a výpočtu. Obrázek 6. Oscilogramy napětí na snímači proudu. Jak je patrné z oscilogramu, amplituda napětí na proudovém snímači je 3,049 V a odpovídá výpočtu. Malý pokles amplitudy napětí na proudovém snímači ke konci impulsu je způsoben částečným nabitím oddělovacího kondenzátoru. Obrázek 7. Oscilogramy napětí na nastavovacím odporu a filtračním kondenzátoru. Oscilogram napětí na nastavovacím rezistoru zcela opakuje tvar proudu obou spínačů. Amplituda napětí na nastavovacím rezistoru je 1,657 V. Tato hodnota je o něco vyšší než vypočtená hodnota 1,5 V. Amplituda napětí na filtračním kondenzátoru je 788 mV, což je velmi blízké výpočtu. Napěťový oscilogram na filtračním kondenzátoru ukazuje malé poklesy v přední a zadní části pulsu, způsobené nabíjením a vybíjením kapacity filtru. V tomto případě nejsou pozorovány žádné významné změny tvaru pulzu a amplituda pulzu zůstává nezměněna. Konečné rozhodnutí o hodnotách filtračního odporu a kondenzátoru se učiní při nastavování SMPS. Existuje další obvodové řešení pro příjem signálu pro ochranný obvod vypínače pomocí proudového transformátoru v push-pull SMPS. Je spojeno s použitím středového usměrňovače. K tomu musí být sekundární vinutí proudového transformátoru navinuto se středem. Tato technika sníží počet diod na dvě. Obrázek 8. Navrhované řešení pro příjem signálu pro ochranný obvod výkonového spínače pomocí proudového transformátoru se středem v podlaze můstku SMPS. V tomto případě se změní výpočet aktuálního snímače. Stejné jako výše. Proudový snímačový odpor R1 v obvodu středního proudového transformátoru je zapojen paralelně ke dvěma sériově zapojeným polovinutím. Potom bude napětí jednoho polovičního vinutí poloviční než pokles napětí na rezistoru R1. Po usměrnění získáme amplitudu signálu rovnou napětí jedné poloviny vinutí mínus úbytek napětí na diodě. Tito. o polovinu méně, než je požadováno. Protože obvod používá regulační odpor R3, aby bylo zajištěno, že vstupní signál ochranného obvodu je 0,75 V při 50% regulaci R3, napětí přivedené na R3 se musí rovnat U_R3= 1,5 V. Pro získání požadované úrovně signálu pro ochranný obvod tedy musí být napětí na proudovém snímači rovné U_dt=2*(U_R3+u_VD)=2*(1,5+0,7)=4,4 V Při proudu sekundárního vinutí 0,1 A bude efektivní hodnota proudu sekundárního vinutí 0,089 A. A výkon rozptýlený na rezistoru R1 je roven P_R1=I_{w2_rms}*U_dt=0,089*4,4=0,392 W. To je docela hodně. Abychom snížili ztrátový výkon rezistorem R1, odebereme proud sekundárního vinutí I_{w2_max}= 50 mA. Pak transformační poměr K_tr= (Já_{cl_max})/(I_{w2_max}) = 2/0,05 = 40. Pak počet závitů sekundárního vinutí w2=K_tr*w1=40*1=40 otáček . Počet závitů jednoho polovičního vinutí je 20 závitů. Tito. Vinutí se skládá ze dvou polovinutí 20 + 20 závitů. Vypočítejme odpor proudového snímače R1 = U_dt/I_{w2_max} = 4,4/0,05 = 88 Ohm. Vybereme v souladu s řadou odporů E24, R1 = 91 Ohm. RMS aktuální hodnota I_{w2_rms}=I_{w2_max}*√((2*t_imp.max.)/T)=0,05*√(2*10*10-6)/(25*10-6)=0,045 A Výkon přidělený rezistoru R1 P_R1= (Já_{w2_rms})2*R1=(0,045)*2=91 W. To je zcela přijatelné. Simulace činnosti push-pull transformátoru proudu se středem v programu Multisim. Simulaci provedeme podle zjednodušeného schématu. Obrázek 9. Model se středním proudovým transformátorem. Polomůstek SMPS je nahrazen bipolárním zdrojem proudu s amplitudou 2 ampéry. Wattmetr připojený k proudovému senzoru ukazuje výkon 179 miliwattů. Tato hodnota je velmi blízká vypočtené. Obrázek 10. Oscilogramy napětí na snímači proudu. Jak je patrné z oscilogramu, amplituda napětí na proudovém snímači je 4,51 V a odpovídá výpočtu. Obrázek 11. Oscilogramy napětí na nastavovacím odporu a filtračním kondenzátoru. Amplituda napětí na nastavovacím rezistoru je 1,607 V. Tato hodnota je o něco vyšší než vypočtená hodnota 1,5 V. Napěťový oscilogram na filtračním kondenzátoru ukazuje malé poklesy v přední a zadní části pulsu v důsledku nabíjení a vybíjení kapacita filtru. V tomto případě nejsou pozorovány žádné významné změny tvaru pulzu a amplituda pulzu zůstává nezměněna. Amplituda napětí na filtračním kondenzátoru při 50% rotaci motoru R3 je 0,803 V. To je mírně vyšší než vypočítaná hodnota. Konečné rozhodnutí o hodnotách filtračního odporu a kondenzátoru se učiní při nastavování SMPS.

Tagy:

SERGR Zveřejněno: 16.02.2021 0 2

Odměna, kterou jsem nasbíral 0 2

Transformátor je statické zařízení, které je určeno k přeměně napětí a jeho přenosu na velké vzdálenosti bez změny frekvence elektrického proudu.

Nejjednodušší transformátor obsahuje dvě vinutí s izolovanými elektrickými vodiči. Tyto dráty jsou navinuty kolem ocelového laminovaného jádra. Zdroj: hees.ru

Jednoduché vysvětlení principu fungování zařízení

1. Provozní režim je, když sekundární cívka transformátoru přijímá proud, napětí a odpor z primárního okruhu.
2. Režim nečinnosti zahrnuje otevření sekundárního vinutí. Tento režim umožňuje vypočítat transformační poměr a měřit proud, který protéká primárním okruhem.
3. Režim zkratu zahrnuje přímé zkratování konců sekundárního vinutí, ve kterém je odpor v obvodu nulový. V tomto režimu můžete určit ztráty, ke kterým dochází v důsledku zahřívání vinutí.

Máte potíže s daným tématem? Nebojte se, pomůžeme!

Zaregistrujte se na bezplatnou lekci
s lektorem a společně na to všechno přijdeme!