Схема блока питания трансформаторного: поэтапная инструкция для самостоятельного изготовления

Трансформаторный блок питания — Delta

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования. p>

Трансформаторные блоки питания

Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра.

Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.

Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Достоинства трансформаторных блоков питания

● Простота в конструировании
● Высокая надежность
● Доступность составляющих компонентов
● Отсутствие паразитных радио-волновых помех (Отличия блоков питания от импульсных блоков питания, которые создают помехи в виде напряжений и токов синусоидальной формы, которые во много раз выше частоты электросети)
● Имеющиеся недостатки трансформаторных блоков питания
● Солидный вес и размеры, особенно высокомощные
● Для изготовления требуется много железа
● Компромиссное решение относительно уменьшения КПД и высокой стабильностью напряжения на выходе: для получения стабильного напряжения необходим стабилизатор, с применением которого появляются дополнительные потери.

Импульсные блоки питания

Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот.

В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы — это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока. Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.

Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки.

Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном.

С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Достоинства импульсных блоков питания

● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:
● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.
● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.

Силовые трансформаторы

Google Ads

• Изучив этот раздел, вы сможете описать:
• • Врезки.
• • Силовые трансформаторы с ламинированным и тороидальным сердечником.
• • Изоляция.
• • Автотрансформаторы.
• • Импульсные трансформаторы питания.
• • Неисправности трансформатора.

Рис. 11.3.1 Силовой трансформатор с многослойным сердечником.

Силовые трансформаторы с многослойным сердечником

Задача силового трансформатора в электронной системе состоит в том, чтобы обеспечить эту систему несколькими источниками переменного тока с различными напряжениями и подходящими значениями тока от высоковольтной общественной электросети.
Кроме того, может потребоваться обеспечить электрическую изоляцию между электронной схемой и внешним источником питания общего пользования. Типичная конструкция силового трансформатора с многослойным сердечником показана на рис. 11.3.1.

Сердечник из тонких стальных пластин в форме букв «Е» и «I» используется для снижения воздействия вихревых токов. Они скреплены вместе, а первичная и вторичная обмотки намотаны на каркас, расположенный вокруг центрального стержня сердечника. Обмотки могут быть отдельными, как показано, или часто, для большей эффективности, намотаны концентрически слоями (первичная, вторичная, первичная, вторичная и т. д.). Трансформаторы часто изготавливаются специально для конкретного приложения или оборудования, в котором они используются. Поэтому для правильной идентификации обмоток может потребоваться ссылка на данные производителя.

Рис. 11.3.2 Принципиальная схема силового трансформатора с ответвлениями

.

Врезки.

Чтобы трансформаторы могли подавать различные вторичные напряжения к различным частям цепи, силовые трансформаторы обычно имеют «обмотки с ответвлениями». То есть обмотки разделены на различные секции с использованием ряда соединений, выведенных из одной обмотки, каждое из которых имеет определенное количество витков вдоль обмотки, как показано на схематической диаграмме символов рис. 11.3.2 ниже.

Обеспечивает выбор различных соотношений витков между первичной и вторичной обмотками, что позволяет использовать различные входные напряжения и получать различные выходные напряжения.

При использовании обмотки с центральным ответвлением, например 9В 0В 9В, может быть обеспечен сбалансированный источник питания, дающий два одинаковых напряжения (9В) противоположной полярности, или один источник питания 18В.

Тороидальные силовые трансформаторы

Рис. 11.3.3 Тороидальный силовой трансформатор

Популярная конструкция силовых трансформаторов основана на тороидальном сердечнике, показанном на рис. 11.3.3 (тороид представляет собой просто сердечник в форме пончика). Эта конструкция обеспечивает превосходную связь между первичной и вторичной обмотками, поскольку обе катушки наматываются друг на друга вокруг одного и того же сердечника, а не на отдельных обмотках, используемых в сердечниках трансформаторов E-I. Потери на вихревые токи в тороидальном сердечнике поддерживаются на низком уровне за счет изготовления сердечника из спиральной полосы текстурированной стали или отливки сердечника из ферритового материала с высокой проницаемостью. Тороидальная конструкция трансформатора, хотя, как правило, более дорогая, чем типы с многослойным стальным сердечником в форме EI, тороидальный сердечник обеспечивает меньший и легкий трансформатор, чем для данной номинальной мощности, вместе с более высоким КПД и меньшей утечкой магнитного поля вокруг трансформатора.

Изоляция.

Одним из преимуществ трансформаторов (за исключением автотрансформаторов) является отсутствие электрического соединения между входной цепью, соединенной с первичной, и выходной цепью, соединенной со вторичной; поэтому их можно использовать для гальванической развязки двух цепей.

Сетевые (линейные) изолирующие трансформаторы используются для обеспечения большей безопасности пользователей электрооборудования, такого как электроинструменты для использования вне помещений, и для техников, обслуживающих оборудование, где можно прикоснуться к токоведущим проводникам и компонентам, путем обеспечения входных и выходных клемм, которые электрически изолированы от основной контур.

Большие изолирующие трансформаторы обычно способны работать с выходной мощностью около 250-500 ВА (вольт-ампер) без перегрузки. Их первичная обмотка подключается непосредственно к сети питания, и для получения сетевого (или линейного) выходного напряжения соотношение их витков составляет 1:1, как показано на рис. 11.3.4. Они также имеют заземленный металлический экран между первичной и вторичной обмотками для предотвращения прохождения переменного тока за счет электростатической (емкостной), а также индуктивной связи между двумя обмотками.

Рис. 11.3.4 Сетевой изолирующий трансформатор.

Использование изолирующего трансформатора значительно снижает риск поражения электрическим током человека, одновременно касающегося проводника под напряжением и земли, поскольку вторичная цепь не имеет заземления и, следовательно, не имеет непрерывной цепи для протекания тока. Изолирующий трансформатор НЕ защищает от поражения электрическим током тех, кто одновременно прикасается к току и нейтрали.

Изолирующие трансформаторы гораздо меньшего размера используются в оборудовании для передачи голоса и данных, таком как факсимильные аппараты и модемы, где их задачей является безопасное разъединение оборудования, которое в условиях неисправности может привести к возникновению высокого напряжения на его интерфейсе с системой телефонной связи общего пользования. . Они также используются для согласования импеданса входов и выходов оборудования с импедансом телефонных линий.

Рис. 11.3.5 Принципиальная схема

Автотрансформатор.

Автотрансформаторы.

Это специальный тип трансформатора, который имеет только одну обмотку. Он часто используется для преобразования между различными сетевыми (линейными) напряжениями, что позволяет использовать электрическое оборудование на международном уровне. Единая непрерывная обмотка разделена на несколько «ответвлений», как показано на рис. 11.3.5, для получения различных напряжений. Между каждым ответвлением предусмотрено соответствующее количество витков для получения требуемого напряжения, исходя из соотношения витков между полной обмоткой и ответвлением. Полезным методом расчета неизвестных напряжений на автотрансформаторе, если известно количество витков на различных ответвлениях, является использование метода вольт на виток, описанного на странице «Основные операции с трансформатором». В отличие от обычного трансформатора с первичной и вторичной обмотками автотрансформатор не обеспечивает никакой изоляции между входом и выходом.

Автотрансформаторы также используются для обеспечения очень высокого напряжения, необходимого для таких приложений, как автомобильные системы зажигания и приводы электронно-лучевых трубок в ЭЛТ-телевизорах и мониторах.

Часть имени «Авто» в данном случае не означает автоматический, а имеет значение «Один – действующий сам по себе», как в авто номус.

Импульсные трансформаторы питания

Большие трансформаторы с многослойным сердечником в настоящее время менее распространены из-за использования импульсных источников питания (SMPS). Эти схемы работают на гораздо более высоких частотах, чем старые источники питания на 50–60 Гц. В дополнение к тому, что SMPS более эффективны, они имеют то преимущество, что многие компоненты в цепи питания могут быть физически намного меньше и легче, включая трансформатор. Трансформаторы SMPS, работающие на частоте около 500 кГц, как в примере на рис. 11.3.6 в телевизионном приемнике, используют феррит вместо ламинированных сердечников, поскольку потери в феррите на высоких частотах намного меньше, чем в ламинированных сердечниках. Формы сигналов, обрабатываемых трансформаторами в SMPS, помимо того, что они являются высокочастотными, обычно имеют прямоугольную форму. Из-за этого они будут содержать много гармоник на еще более высоких частотах. Это создает проблему из-за «скин-эффекта»; токи высокой частоты, протекающие по проводам, имеют тенденцию течь только по внешней оболочке проводов, что усложняет обычные расчеты площади поперечного сечения провода. Поскольку эффективная площадь поперечного сечения изменяется с частотой, то же самое будет и с эффективной индуктивностью обмотки. Кроме того, расположение компонентов относительно трансформаторов SMPS требует тщательного проектирования, так как электромагнитные помехи на высоких частотах больше.

Рис. 11.3.6 Импульсный источник питания

Трансформатор.

Неисправности трансформатора

Трансформаторы, как правило, очень надежны; их очень высокая эффективность означает, что в нормальных условиях небольшая мощность рассеивается в виде тепла (во многих компонентах это самый большой убийца!). Как и в случае с любым электронным устройством, именно те, которые работают с наибольшей мощностью, являются наименее надежными, поэтому силовые трансформаторы, особенно те, которые работают с высоким напряжением, более подвержены поломке, чем трансформаторы других типов.

Перегрев, вызванный внутренней неисправностью или перегрузкой, может привести к опасным ситуациям, вплоть до полного «расплавления». По этой причине многие силовые трансформаторы могут быть оснащены плавким предохранителем или автоматическим выключателем. В маловероятном появлении отказа этого устройства обычно первичная обмотка оказывается разомкнутой. Часто бывает трудно или невозможно удалить и/или отремонтировать предохранитель, который находится глубоко внутри обмоток. Также, возможно, это будет неразумно, так как трансформатор перегреется по одной из двух возможных причин:

• 1. Трансформатор был серьезно перегружен в течение длительного времени; в этом случае могло произойти внутреннее повреждение изоляции. Самый безопасный вариант – заменить трансформатор.
• 2. В трансформаторе произошло внутреннее короткое замыкание. Это означает, что изоляция между двумя витками обмотки пробита. В результате получается обмотка из одного витка. Коэффициент трансформации теперь огромен! Представьте себе трансформатор с 1000 витками на первичной обмотке и 100 витками на вторичной обмотке, который страдает от короткого замыкания на вторичной обмотке. Соотношение оборотов только что изменилось с 10:1 до 1000:1!
  В результате получается очень небольшое вторичное напряжение, но огромный ток. В этом случае снова единственным решением является замена.

Единственная неисправность, с которой я лично с какой-то регулярностью сталкивался за 26 лет обслуживания электроники, это пробой изоляции на трансформаторах очень высокого напряжения; тип, используемый для генерации нескольких тысяч вольт в телевизионных приемниках. Большинство этих неисправностей произошло
по субботам летом, причина? Люди, возвращавшиеся из отпуска, часто делали это в субботу днем, а телевизор не использовался неделю или больше. За это время в обмотки трансформатора проникла влага, и при повторном подаче высокого напряжения произошло искрение, и трансформатор сразу же получил короткое замыкание.

При любой неисправности, связанной с подозрением на трансформатор (любого типа), вероятность того, что он является виновником, очень низка в списке вероятностей.

Конструкция источника питания постоянного тока

Для получения постоянного напряжения из сети переменного тока используются трансформатор и выпрямитель, как показано ниже. Трансформатор изменяет сетевое напряжение на более подходящее для наших требований; и выпрямитель удаляет отрицательную часть сигнала, давая выход, который имеет только положительные напряжения. На приведенной ниже схеме показан мостовой выпрямитель; можно использовать выпрямитель с одним диодом, но он менее эффективен; а поскольку кремниевые диоды недороги, конструкция моста стала почти универсальной.

Для целей этого руководства я буду использовать в качестве примера блок питания с выходным напряжением 12 В постоянного тока; однако простая теория позволит вам разработать источники питания для любого желаемого напряжения и тока. В последующих разделах в качестве примера будет использоваться схема переменного источника питания 2 А при напряжении до 30 В.

Падение напряжения в выпрямителе

Выпрямитель: Один кремниевый выпрямительный диод с прямой проводимостью развивает напряжение около 0,7 В (но может достигать 2 В). Обычно мы допускаем падение примерно на 2 В для конфигурации с мостовым выпрямителем.

Трансформатор: Потери также возникают в обмотках трансформатора; однако трансформатор, рассчитанный на 220 В: 30 В при 10 А, обычно обеспечивает выходное среднеквадратичное значение 30 В при подаче номинального тока. Это означает, что напряжение без нагрузки будет выше.

Осциллограммы в цепи

На этих диаграммах показано напряжение в различных точках цепи при использовании трансформатора 240:12 В.

Здесь вы видите выход трансформатора. Выход представляет собой синусоиду с центром около 0 вольт.

Пиковое напряжение Vpk в 1,414 (квадратный корень из 2) умножается на выходное среднеквадратичное значение — указанное значение трансформатора.

Например, для трансформатора 240 В: 12 В пиковое напряжение будет
1,414 умножить на 12 = 17 В

На этой диаграмме показан выход мостового выпрямителя.

Вы можете видеть, что отрицательный «горб» от сигнала переменного тока выше был «перевернут вверх дном» узлом мостового выпрямителя. Пиковое напряжение теперь 17В — 2В = 15В.

Среднеквадратичное значение напряжения составляет около 10,6 В при полной нагрузке. Он повышается при уменьшении нагрузки. Среднее напряжение 9.27

Вы также можете увидеть плоскую часть около нуля, где ни один из диодов выпрямителя не начал проводить ток.

Приведенный выше сигнал можно рассматривать как постоянное напряжение постоянного тока 9,27 В с наложенным переменным сигналом около 15 В от пика до пика и средним значением 0 В.

Среднеквадратичное значение этого сигнала составляет около 15/2 * 1,414 = 5,4 В

Пример конструкции — выбор компонентов

Спецификация:
Спроектируйте и соберите блок питания для
работать от сети 240В переменного тока. Он должен питать двигатель постоянного тока 12 В, который работает в течение длительного периода времени и при нормальном использовании потребляет максимум 2 А от источника питания.

Нам понадобится трансформатор на 12 В 2 А = 24 Вт или более

Здесь вы можете увидеть два возможных стиля трансформации. И то, и другое было бы подходящим.

Оба рассчитаны на 12 В, 48 Вт.

Это кремниевый мостовой выпрямитель, рассчитанный на пиковое обратное напряжение 200 В и средний прямой ток 4 А. Это было бы хорошо.

Тепловой расчет:

При использовании ток 2 А и прямое падение напряжения около 0,9 В на диод (лист технических данных) или 1,8 В на оба диода.

2A * 1,8 В = 3,6 Вт.

Тепловое сопротивление воздуху (из таблицы данных) составляет 22 градуса C на ватт, поэтому корпус будет на 22 * ​​3,6 = 80 градусов выше температуры окружающей среды. Это слишком тепло, поэтому мы добавим небольшой радиатор или прикрутим выпрямитель к металлическому корпусу.

Обсуждение:
Схема, показанная на этой странице, подходит для зарядки автомобильного аккумулятора или работы двигателя постоянного тока.