Расчет трансформатора на ферритовом кольце онлайн калькулятор. Расчет трансформатора с тороидальным магнитопроводом
Программное обеспечение, предназначенное для расчёта импульсных трансформаторов двухтактных push-pull, мостовых и полумостовых преобразователей напряжения источников питания.
Из основных достоинств Lite-CalcIT стоит отметить удобный и понятный графический интерфейс, контроль и учет различных особенностей рассматриваемых электромагнитных устройств, а также формирование довольно достоверных результатов.
Рассматриваемое ПО дает возможность рассчитать диаметры обмоточных проводов (учитывая скин-эффект – глубину проникновения тока в массив проводника на определенной частоте), мощность потерь в магнитопроводе, количество витков в обмотках трансформатора и его габаритную мощность, ток намагничивания первичной обмотки и её индуктивность, перегрев магнитопровода, а также многое другое. Важной особенностью Lite-CalcIT является возможность выбора схемы выпрямления и наличие различных вариантов ШИМ-контроллеров: TL494, SG3525, IR2153 и подобных им. Также предлагается два способа охлаждения трансформатора: принудительное и естественное. Форма сердечника может быть E, ER, EI, ETD или R типа, кроме этого база магнитопроводов является пополняемой. Данные на изделия других образцов необходимо вносить самостоятельно согласно документации производителя. При добавлении нового сердечника в поле комбинированного списка программа автоматически дописывает к его названию префикс формы и название материала. Lite-CalcIT предлагает рассчитать до четырех вторичных обмоток одного трансформатора, причем для каждой вторичной обмотки в соответствии с рисунками указывается своя схема выпрямления. При выводе результатов работы данный софт приводит не только диаметры проводов, но и во сколько жил должна производиться намотка этими проводами. При наличии двухполярного питания со средней точкой число витков для каждого плеча будет указано через значок «+».
На отдельных результатах расчета и полях ввода размещены всплывающие подсказки. Кроме этого, если ряд параметров выйдет за разумные пределы (например, нагрев сердечника), то данное ПО предупредит об этом пользователя и самостоятельно ограничит ряд установленных значений. Все данные предыдущего расчета сохраняются при перезапуске программы.
Данное ПО является упрощенной версией программы ExcellentIT и подходит для тех, кто не желает возиться с огромным количеством различных специфичных параметров (которые по умолчанию берутся усредненными). Однако следствием этого является более высокая погрешность расчетов. Основные отличия от полной версии – отсутствие возможности рассчитать индуктивность выходного дросселя, а также сохранять, загружать и распечатывать результаты работ. При работе с Lite-CalcIT нельзя забывать, что диаметр провода по лаку будет больше вводимого диаметра по меди.
Автором данного ПО является отечественный программист Владимир Денисенко, проживающий в городе Пскове. Помимо ExcellentIT и Lite-CalcIT он написал еще несколько других программ для определения моточных компонентов различных устройств: Booster (заточенный на расчет понижающих и повышающих импульсных стабилизаторов), Forward (трансформаторы прямоходовых однотактных преобразователей) и Flyback (дроссель-трансформаторы обратноходовых преобразователей). Автор следит за пожеланиями пользователей и постоянно дорабатывает вышеприведенное ПО. Его программы получили известность не только в странах бывшего СССР, но и за рубежом.
Программа Lite-CalcIT распространяется абсолютно бесплатно. Инсталляция при установке не требуется.
Язык интерфейса рассматриваемого калькулятора импульсных трансформаторов – русский.
Размер программы составляет менее 1 MB. Платформа для работы – операционные системы Microsoft Windows XP, Vista и 7 (работоспособность проверена в 32- и 64-разрядных версиях). Lite-CalcIT функционирует и в среде Linux при запуске под Wine.
Скачать: (скачиваний: 953)
Распространение программы: бесплатная
В правильно сконструированном двухтактном преобразователе постоянный ток через обмотку и подмагничивание сердечника отсутствуют.
Это позволяет использовать полный цикл перемагничивания и получить максимальную мощность. Поскольку трансформатор имеет много взаимозависимых параметров, расчет ведут по шагам, уточняя при необходимости исходные данные.
1. Как определить число витков и мощность?
Габаритная мощность, полученная из условия не перегрева обмотки, равна :
Pгаб = S o S c f B m / 150 (1)
Где: P габ — мощность, Вт; S c — площадь поперечного сечения магнитопровода, см 2 ; S o — площадь окна сердечника, см 2 ;
Максимальную мощность трансформатора выбираем 80% от габаритной:
P max = 0,8 P габ (2)
Минимальное число витков первичной обмотки n 1 определяется максимальным напряжением на обмотке U m и допустимой индукцией сердечника Bm :
n = (0,25⋅10 4 U m) / (f B m S c) (3)
Плотность тока в обмотке j для трансформаторов мощностью до 300 Вт принимаем 3..5 А/мм 2 (большей мощности соответствует меньшее
значение). Диаметр провода
Онлайн калькулятор расчета тороидального трансформатора
Чтобы рассчитать параметры трансформатора, введите данные мощности и напряжения подключаемого устройства, а также напряжение сети.
Площадь сердечника выражается произведением ширины железной пластины сердечника (или средней части пластины при Ш-образном железе) на толщину всего набора пластин.
При расчетах мощность сети берется равной 1,2 мощности трансформатора (потери трансформатора ≈ 20%).
*Расчет производится по методике, описанной в руководстве для технических кружков «Техническое Творчество».
«Как-то лет в 12 нашёл я старый трансформатор, слегка перемотал его и включил.
Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом.
Вот так я и начал изучать силовую электронику».
А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами.
При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один — массогабаритные показатели. Всё остальное — сплошной минус.
Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований.
Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR2153 и IR2155, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.
Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД.
Но самое главное — при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов.
По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами. Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику.
И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое.
Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.
Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR2153 с идентичными заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов.
А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание «что-то подправить в консерватории». Объясняется это желание просто — существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора.
А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR2153, не обременённую ни устройством защиты, ни какими-либо другими излишествами.
Рис.1
Схема проверена временем и многочисленными опытами изрядно пощипанных током, неустрашимых радиолюбителей, так что не работать в ней — просто нечему.
Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора.
Мотать его будем на бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя 2000НМ или импортных — EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода.
Концепция выбора габаритной мощности с запасом в 10% от максимальной мощности в нагрузке, заложенная в режимы автоматического подбора сердечника в большинстве калькуляторов, хотя и не противоречит теоретическим расчётам, учитывающим высокий КПД импульсного трансформатора, но всё же наводит на грустную мысль о ненадлежащей надёжности и возможной скорой кончине полученного моточного изделия.
Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR2153, равной 50 кГц. Почему именно такой?
Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры.
А не выше, потому что мы пилоты. А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше 60-70 кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в 3-9 раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину.
Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки.
Результаты сведём в таблицу.
| Мощность блока питания, Вт | Размеры кольца, мм ; (габаритная мощность, Вт) | Количество витков первичной обмотки | Индуктивность обмотки, мГн |
| 25 | R 20×12×6 2000НМ (33,8 Вт) R 22,1×13,7×6,35 №87 (51,5 Вт) |
R 22,1×13,7×7,9 №87 (63,9 Вт)
R 27×18×6 2000НМ (85,3 Вт)
R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт)
R 29,5×19,0×14,9 №87 (297 Вт)
R 30,5×20,0×12,5 №87 (265 Вт)
R 34,0×20,5×10,0 №87 (294 Вт)
R 34,0×20,5×12,5 №87 (371 Вт)
R 38×24×7 2000НМ (278 Вт)
R 38×24×14 2000НМ (565 Вт)
R 40×25×11 2000НМ (500 Вт)
R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)
R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт)
R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)
Как следует мотать первичную обмотку трансформатора?
Рис. 2 а) 
б) в) г) д)
Если используются кольца 2000НМ отечественного производителя, то для начала — посредством наждачной бумаги скругляем наружные острые грани до состояния, приведённого на Рис.2 а).
Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку (Рис.2 б). В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту.
Для буржуйских колец фирмы EPCOS первые два пункта практической ценности не имеют.
Настало время намотать однослойную обмотку «виток к витку» (Рис.2 в). Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода — это важно!
Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра (Рис.2 г). Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре (или два провода по 0,7мм).
Ну и для завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку — пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты (Рис.2 д).
А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения.
Казалось бы, расчёты количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора настолько банальны и очевидны, что, как говаривал товарищ Мамин-Сибиряк — «яйца выеденного не стоят».
Да только вот опять — не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Поэтому для начала приведём формулу зависимости выходного напряжения от соотношения количества витков обмоток:
W1 (Uвх — Uдм1)/2 — Uнас ,
W2 (Uвых+Uдм2)
где Uвх — значение выпрямленного напряжения сети, равное 1,41×220≈310В,
Uдм1 — падение напряжения на входном диодном мосте ≈ 1В,
Uдм2 — падение напряжения на выходном диодном мосте ≈ 1В,
Uнас — напряжение насыщения на ключевом транзисторе ≈ 1,6В.
Подставив значения, получаем конечную формулу W2 = W1×(Uвых+1)/153.
Это формула верна для случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу.
Если же данный параметр нас интересует при максимальном токе нагрузки, то практика показывает, что количество витков вторичной обмотки следует увеличить на 10%.
Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора. Диаметр этот достаточно просто вычисляется по формуле:
D = 1,13×√ I / J ,
где I — ток обмотки, а J — параметр плотности тока, напрямую зависящий от мощности трансформатора и принимающий для кольцевых сердечников значения:
≈4,5 для мощностей до 50Вт; ≈4 для 50-150Вт; ≈3,25 для 150-300Вт и ≈2,75 для 300-1000Вт.
И в завершении приведу незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора.
Точно так же, как и в случае с первичной обмоткой — вторичная должна быть как можно более равномерно распределена по периметру магнитопровода.
Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода. При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора.
При необходимости поиметь двуполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий — к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец — к GND-у.
Ну что ж, с трансформатором определились, пора озадачиться полным джентльменским набором настоящего мужчины — плавками с меховым гульфиком, а главное, непосредственно импульсным блоком питания, оснащённым такими значимыми прибамбасами, как устройства мягкого пуска и защиты от токовых перегрузок и КЗ.
Всё это хозяйство подробно опишем на странице Ссылка на страницу.
Данный онлайн расчет трансформатора выполнен по типовым расчетам электрооборудования. В типовых расчётах все начинается с определения необходимой мощности вторичной обмотки, а уж потом с поправкой на КПД — коэффициент полезного действия, находим мощность всего трансформатора, и на основании этого рассчитываем необходимое сечение и тип сердечника и так далее.
Изначально так и было в моём расчете. Пока не появились предложения от посетителей сайта внести изменения в расчет. По имеющимся размерам трансформаторного железа рассчитываем полную мощность трансформатора, а уж потом видим, какой ток и напряжение можно снять с этого железа. Далее все как по типовому расчёту, выбираем тип: броневой или стержневой, указываем напряжение первичной обмотки, вторичной, частоту переменного тока и так далее.
В результате получаем необходимые расчетные данные трансформатора, например сечение обмоточных проводов, которые сравниваются со стандартными обмоточными проводами и представляются для дальнейшего расчёта. Диапазон обмоточных проводов сечением от 0,000314 до 4,906 мм 2 , всего 63 позиции. На основании имеющихся данных рассчитывается площадь занимаемой обмотками трансформатора, для определения возможности их размещения в окнах трансформатора.
Хотелось бы узнать в комментариях ваше мнение, и практические результаты, чтобы если это возможно сделать более качественный расчёт.
Просмотр и ввод комментариев к статье 
| |
Как построить импульсный трансформатор на ферритовом кольце я уже рассказывал в своих уроках здесь. Теперь расскажу как я изготавливаю трансформатор на Ш — образном ферритовом сердечнике. Использую я для этого подходящие по размеру ферриты от старого «советского»оборудования, старых компьютеров, от телевизоров и другой электротехнической аппаратуры, которое у меня в углу валяется «до востребования».
Все обмотки: первичная, вторичная и обмотка связи вполне уместились в окне Sо = 150 мм.кв.
При этом площадь поперечного сечения магнитопровода «Sк», увеличится вдвое. Sк = 56 х 2 = 112 мм.кв. или 1,12 см.кв. 
Уменьшится показатель n (число витков на 1 вольт). n = 0,7 / Sк = 0,7 /1,12 = 0,63 вит./вольт. 
Онлайн калькулятор по рассчёту частоты и RC-цепи IR2153
Перенесу-ка я сюда схему устройства мягкого пуска и защиты импульсника с предыдущей страницы.
Рис.1
Фактически, основной фрагмент импульсного блока питания (Рис.2), состоящий из самотактируемого полумостового драйвера, управляющего
мощными полевыми транзисторами, самих транзисторов и импульсного трансформатора — издавна уже обрёл привычные очертания, отработан до
мелочей и радует счастливые взоры радиолюбителей предсказуемым поведением и весьма приличными характеристиками. 
Рис.2
Приведённая схема импульсного источника питания позволяет снимать с блока максимальную мощность до 300Вт.
Дополнительные резисторы R9 и R10 введены для устранения сквозных токов через транзисторные ключи в начальный
момент включения блока питания (до тех пор, пока напряжение питания микросхемы DA1 не достигнет рабочих значений).
Частота преобразования драйвера IR2153 — 50кГц. При желании изменить тактовую частоту следует изменить значения номиналов элементов R1 и С1 в соответствии с формулой F = 1 / [1,4×C×(R+75)].
Большинство схемотехнических решений ИПБ на IR2153, представленных в сети, не учитывают простой рекомендации
производителя микросхемы по выбору номиналов данных элементов, а именно:
Timing resistor value (Min) — 10 kΩ, CT pin capacitor value (Min) — 330 pF.
Для удобства приведу простой калькулятор по расчёту частотозадающих элементов IR2153.
И с другими вводными — частота IR2153 с учётом имеющихся у Вас деталей.
На страшилки по поводу опасности несущественного отклонения рабочей частоты от расчётной, как то: насыщение феррита, снижение КПД и т.д. и т.п. — не следует обращать никакого внимания. Прекрасно Ваш феррит переживёт подобные отклонения, вплоть до 10-15% изменения частоты преобразователя, без всяких последствий для собственного здоровья.
Теперь о намотке трансформатора Tr1.
Парой слов здесь ограничиться не удастся, потому как именно импульсный трансформатор назначен главным ответственным за показатели
ИБП.
Собственно, исходя из этих соображений, мы и посвятили целую статью расчётам и намотке трансформатора на тороидальном ферритовом
сердечнике для данного блока с возможностью выбора желаемого диапазона мощностей —
Ссылка на страницу.
Плавно переходим к снабберной цепочке R8, С9. Снаббер – это демпфирующее устройство, которое выполняет действие по замыканию
на себе токов переходных процессов. Устройство предназначено для подавления индуктивных выбросов, которые появляются при
переключении коммутационных полупроводников и способствует снижению величины нагрева обмоток трансформатора и силовых транзисторов.
В теории, существуют методики расчёта снабберных цепей. На практике — а не пошли бы они лесом, уж очень много различных параметров
необходимо учитывать для получения корректного результата. К тому же достаточно велика вероятность того, что данная цепочка вообще не
понадобится в транзисторно-трансформаторном хозяйстве.
Для проверки этого предчувствия следует к выходу ИПБ подключить нагрузку, обеспечивающую его работу при 10% мощности
от максимальной, и поочерёдно ткнувшись пальцем в импульсный трансформатор и радиатор выходных транзисторов, убедиться, что температура
данных элементов не превышает 30-40 градусов.
Если это так, то про снабберную цепочку забываем, если не повезло — начинаем юзать снаббер, начиная со значения ёмкости конденсатора С9
200пФ и постепенно повышая её до тех пор, пока не будет получен устойчивый положительный результат.
Естественным делом данный конденсатор обязан быть высоковольтным.
Выходной выпрямитель особенностей не имеет, П-образные фильтры C5,L1,C9 и C6,L2,C11 необходимы для предотвращения попадания высокочастотных помех в нагрузку, электролиты С10 и С12 борются с сетевыми 50-ти герцовыми пульсациями. Дроссели L1 и L2 номиналом 10-20 мкГн, должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки, и могут быть как покупными, так и самостоятельно намотанными на силовых ферритах.
Радиатор для ключевых транзисторов Т1, Т2 для схемы, приведённой на Рис.2, должен рассчитываться исходя мощности рассеивания 3-5Вт и в простейшем случае может представлять из себя алюминиевую или медную пластину площадью 40-50 см2.
При необходимости радикально увеличить мощность блока питания вплоть до 1000 Вт имеет смысл воспользоваться ещё одной расхожей схемой ИБП с
использованием более мощных полевых транзисторов (Рис.3).
Рис.3
Поскольку выходным драйверам IR2153 сложновато прокачать значительные ёмкости Сзи могучих полевиков, в схему добавлены
двухтактные эмиттерные повторители на транзисторах Т1-Т4, во всём остальном схема повторяет свой менее мощный аналог,
приведённый на Рис.2.
Значения ёмкостей конденсаторов С3, С4 приведены для мощности ИБП 500Вт, для 1000Вт их номиналы следует увеличить в 2 раза.
Пропорционально росту мощности ИПБ в соответствующее количество раз нужно увеличивать и размер радиатора полевых транзисторов.
Расчёт трансформатора произведём всё на той же странице — Ссылка на страницу.
Ну а на следующей странице с головой окунёмся в культработу над мощным лабораторным блоком питания с регулируемым выходным напряжением.
