Електронний трансформатор
Електронний трансформатор – буденне назва джерела живлення-перетворювача напруги 220 В в 12. Не виключено, що знайдуться і інші номінали. 12 В змінного струму широко використовуються для освітлювальних цілей, що забезпечило пристрою популярність. Трансформатором пристрій названо за альтернативу простому мережному трансформатора на 220 В.Подяки
Не можна обійти вдячністю Рубена Лі, попрацював зібрати стільки чудової інформації про малогабаритних трансформаторів в однойменній книзі. С.В. Куликов надав велику допомогу в поясненні пристрої мультивибраторов, а інженери П. Фічер і Р. Сколла з STMicroelectronics GROUP OF COMPANIES пояснили сучасний стан галузі, давши рекомендації по вибору транзисторів.переваги
Електронний трансформатор істотно менше звичайного і дозволяє регулювати вихідну потужність. Схема гнучка і легко реалізує захист від короткого замикання. Побічним ефектом стає низький рівень шуму, відсутня гудіння типового силового трансформатора (точніше, вібрація арматури вище рівня сприйняття людського слуху).Назва і внутрішній устрій
Електронний трансформатор складається переважно з малогабаритного трансформатора і ряду транзисторів. Фактично це сильно спрощений імпульсний джерело живлення. Замість генератора на інтегральній схемі працює нескладний мультивибратор з пари біполярних транзисторів. Фільтри вихідної напруги відсутні за непотрібністю, драйвер низьковольтних газорозрядних ламп здатний самостійно згладити напругу. Немає і силового тиристорного ключа, силові транзистори і так являють генератор високочастотного напруги. Порядок дій:- Діодний міст випрямляє напругу, частково фильтруемое дросселями.
- Пульсуючий потік живить транзистори, включені за схемою мультивібратора.
- З виходу генератора високочастотних імпульсів сигнал подається на малогабаритний трансформатор.
Хитрість полягає в тому, щоб створити транзистори, здатні харчуватися високою напругою. Якщо є генератор на інтегральній схемі (присутній в кожному імпульсному блоці живлення), то виробники не сильно спантеличені лише двома силовими ключами. Для розуміння роботи електронного трансформатора потрібно представляти, на яких принципах грунтується мініатюризація обладнання.
Причини малого розміру імпульсного трансформатора
Немає чіткої межі між силовими і імпульсними трансформаторами. Просто зі збільшенням частоти сильно знижуються розміри обмотки і осердя при колишній пропускається потужності. Вперше це усвідомив Тесла, який бажав підняти частоту живлення устаткування до 600-700 Гц, щоб зробити ток безпечним для людини. Однак зі зростанням частоти збільшуються втрати в осерді, а хвиля випромінюється в простір, і кабель потребує екрані. Перше пояснюється потовщенням петлі гистерезиса циклу перемагнічування, що пояснюється, як не дивно, поточними в шіхтованного матеріалі індукційними струмами.Трансформатори в початковому вигляді прийшли з мереж електропостачання. В історії створення приладів приписують Яблочкова, але, подякувавши Відповіді Мейл.ру, хочеться привести іншу точку зору на питання:- У 1831 році Майкл Фарадей винайшов перший (тороидальний) трансформатор і на його основі проілюстрував дію закону електромагнітної індукції.
- Після Майкла Фарадея трансформаторні конструкції згадував Джозеф Генрі, винахідник електромагнітного реле. Обидва не звернули увагу на що перетворюють властивості приладу.
- У 1848 році Генріх Румкорфа винайшов котушку для отримання дуги в искровом проміжку вторинному ланцюзі. Фактично це виявився підвищувальний трансформатор. Подібні використовував Тесла.
- 30 листопада 1876 Павло Яблочков створив стрижневий трансформатор з співісними обмотками для цілей, за якими прилад використовується понині.
- Джон і Едуард Гопкінс в 1884 році створили трансформатор із замкнутим сердечником, повторивши затію Фарадея. Кількома роками пізніше Свінберн навчив людей використовувати для ізоляції обмоток масло, ніж підвищувався вольтаж.
- У 1928 році заробив Московський трансформаторний завод (пізніше – електрозавод).
А тепер увяжем описане з електричними мережами. До початку 80-х компанія Едісона вже займалася освітленням, Тесла збудував перший двофазний двигун змінного струму. Розгорілася між ними ворожнеча призвела в 90-і роки до «війні струмів». Вольтаж мереж почав безперервно підвищуватися, поки не досяг 1,2 МВ в 1982 році на лінії Екібастуз-Кокшетау. У ногу з згаданими досягненнями йшли трансформатори, збільшуючись в розмірах.В ході «війни струмів» Тесла виявив, що з підвищенням частоти вага трансформаторів знижується за рахунок мініатюризації обмоток і сердечника. Що привело до створення перших конструкцій для високих частот. Як відомо, розглядаються події супроводжувалися народженням радіозв'язку. Впровадження подібних технологій швидко привело до потреби створення порівняно малогабаритних пристроїв. Імпульсні трансформатори прийшли з радіотехніки. Наприклад, адаптери мобільних пристроїв при формуванні напруг використовують найпростіший амплітудний детектор.Імпульсні трансформатори зазвичай сильно навантажені на відміну від мережевих. Підраховано, що при напрузі 11 кВ постачальники енергії віддають струм 90 кА, а ламповий передавач на 70 кВт – споживає лише 6. З формули потужності обчислюється, що опір в першому випадку становить 0,1 Ома, у другому – 2 кОм. Ці значення визначають вихідний опір трансформатора. Велику роль відіграють маса і габарити. Тому промислові зразки трансформаторів не годяться для електроніки: призначення різниться.
Матеріали малогабаритних трансформаторів
визначальні фактори
Перераховані фактори призвели до пошуку і створення нових матеріалів:- Сталь (холоднокатанная) з орієнтованої доменною структурою.
- Полімерна ізоляція (включаючи лакову).
- Найчистіша радіотехнічна мідь.
- Смоли, позбавлені агресивних сольвентів.
- Електротехнічна сталь з легуючими домішками.
- Пермалой та інші ферити з високим коефіцієнтом магнітної проникності.
Завдяки цим досягненням хімії, фізики та технології виробництва стало можливим досягти певних цілей:
- Зменшити розмір зв'язкових трансформаторів.
- Скоротити обсяг, яку він обіймав високовольтної частиною.
- Створити фільтри з різкими фронтом і спадом амплітудно-частотної характеристики.
- Поява трансформаторів, спеціально призначених для передачі імпульсного сигналу без втрат.
- Підняття спектра пропускання до СВЧ хвиль.
- Діапазон частот. Ефективність трансформатора на нижній робочій частоті визначається індуктивністю холостого ходу, на верхній – розподіленої власної ємністю. Зазначені паразитні ефекти викликають витоку енергії, сильно знижуючи ККД. На зазначені параметри впливають: кількість витків обмотки, розмір сердечника, перетин обмоток, тип ізоляції і ін. Високочастотний трансформатор виготовлений з дотриманням нюансів, щоб передавати потрібний діапазон з мінімальними втратами.
- В електронних ланцюгах головними параметрами вважаються активний і реактивний опори обмоток. Іноді йдуть на обмеження масо-габаритних характеристик заради досягнення хорошого коефіцієнта передачі. Конструкція сильно залежить від призначення і імпедансу ланцюга. Заздалегідь передбачити її, як у випадку з силовими трансформаторами, складно.
У імпульсного трансформатора частіше броньовий сердечник з співвісним обмотками, просмикнутими в вікна. Це дозволяє максимально передати магнітний потік. Ярмова частина замикає силові лінії поля, втрати енергії мінімальні. Боковини вдвічі тонше стрижня, потік ділиться тут надвоє, огинаючи котушки зовні. Періодично стрижневий сердечник виявляється більш придатним для вирішення конкретного завдання. Тоді магнітне поле циркулює по квадрату, а обмотки надіті на протилежні сторони феромагнетика. Сердечник, як правило, складовою, встик, і котушки одягаються до стикування половинок для спрощення технологічного процесу складання. Виконання і ступінь захисту корпусу визначаються кліматичними факторами (вологість, температурний режим), обмеженнями за габаритами, вольтажем.Довго не вдавалося зрозуміти, чому лабораторні дослідження втрат перемагничивания в осерді не збігаються з реальними даними на високих частотах. Виявилося, прилад для вимірювання характеристик створює постійне поле (для збільшення ККД) та блокування виникнення індукційних струмів. Останнє стає причиною розбіжностей. Індукційні струми прямо впливають на ширину петлі гистерезиса. Сьогодні для виготовлення сердечників використовуються електротехнічні матеріали з малою коерцитивної силою. Максимальні втрати відзначаються при досягненні магнітною петлею насичення, цим обмежується передана через імпульсний трансформатор потужність:
- Зростають активні втрати на обмотках.
- Малий ККД.
Форма петлі гистерезиса залежить від обраного матеріалу. Сьогодні відомі сплави з прямокутною характеристикою. Такі незвичайні якості дозволяють створити магнітні підсилювачі. Потужність, що передається на сердечник, несе яскраво виражений реактивний відтінок з очевидних причин. Активна частина висловлює втрати в шіхтованного матеріалі. Реактивна складова прямо залежить від магнітної проникності. Холоднокатана сталь зазвичай застосовується для високих частот, а сталь гарячого катання виявляє неабияку частку домішки кремнію і використовується для промислової частоти 50-60 Гц. З ростом частоти зменшується товщина пластин (згідно змінюються і параметри індукційних струмів).В результаті втрати сердечника для малогабаритних трансформаторів невеликі. Основний внесок вносить омічний опір обмоток. У силових трансформаторах цифри можна порівняти за величиною. Провідникові, отже, обмежується мінімальний перетин жили. Покладається витримати задані габарити, адже розміри сердечника вшиті. Ці два суперечливих фактора визначають економічну доцільність і придатність обраної конструкції.
Коротка характеристика сплавів сердечника
Вибір матеріалу сердечника визначається частотою і індуктивної частиною імпедансу навантаження. Холоднокатанную сталь використовують там, де реактивна складова висока, або присутня необхідність пропустити через обмотки постійний струм. В інших ситуаціях бачиться доречним нікелевий сплав з великими значеннями магнітної проникності, але меншою припустимою щільністю потоку.Сталь, легована кремнієм, має найгірші показники, але дешева. Володіє коерцитивної силою 0,5 Ерстед, при максимальній магнітної проникності 8500 і щільності потоку 12 тисяч гаусів. Використовується в малогабаритних трансформаторів низької частоти (включаючи чутний діапазон).Холоднокатана електротехнічна сталь показує набагато кращі показники за рахунок орієнтованої структури доменів.При рівній коерцитивної силі проникність зростає вчетверо на максимальній щільності потоку 17 тисяч гаусів. Служить в якості сердечника трансформаторів середньої потужності.Феронікелевий 50% сплав характеризується коерцитивної силою, близькою до нуля. Що мінімізує втрати петлі гистерезиса (на перемагнічування). При невисокій допустимої щільності магнітного потоку (10 тисяч гаусів) матеріал характеризується приголомшливою магнітною проникністю (до 50000). Добре чинить опір індукційним струмів малої частоти, застосовується в широкосмугових малогабаритних трансформаторів.Феронікелевий 50% сплав з орієнтованою структурою доменів використовується в режимі насичення. У порівнянні з попереднім матеріалом характеризується збільшеною в півтора рази максимальною щільністю магнітного потоку.Пермалой (високопроцентний нікелевий сплав) характеризується великою магнітною проникністю в сотні тисяч одиниць. Працює при малій щільності магнітного потоку, що обумовлює його застосування в маленьких за розмірами трансформаторах.Композитна сталь і ферит знаходять специфічне застосування в дроселях і трансформаторах з низькими втратами для радіочастотного діапазону. Особливості виробництва дозволяють створити цілісний сердечник будь-якої форми, з матеріалом низької температури Кюрі (магнітних властивостей). Феронікелевий стрічка прекрасно в'ється і служить для створення цілісних сердечників, особливо тороидальной форми. Незвичайні якості дозволяють реалізувати на практиці концепцію прямокутної петлі гистерезиса.обмотки
Вважається допустимим перетин жили 0,645 км. мм на 1 ампер. Це дозволяє в першому наближенні визначити кількість міді. Доведення проводиться за температурним режимам, електричним параметрам роботи трансформатора, в тому числі потужності (див. Рис.). Подальше сильно залежить від технологічних особливостей. Наприклад, емальований провід 30 калібру, намотаний вручну має фактор лінійності 97%, автоматизоване складання знижує параметр до 80%. Однакова конструкція володіє характеристиками, які залежать від місця виготовлення виробу.Щільність укладання закономірно зростає зі зменшенням калібру. З знайденого перетину обчислюється середня довжина витка з метою визначити його опір. Кінець дроту зазвичай припаюється до висновку. Головна вимога – низька омічний опір контакту. Товсту жилу великої потужності складно намотати, якщо кінець НЕ закріплений. Як ізоляторів застосовуються:- Органічні матеріали: шовк, смола, бавовна, лак, електротехнічна папір. Це перший вид ізоляції, введений в ужиток сером Джозефом Генрі. Верхньої температурою вважається 105 градусів Цельсія.
- До другого класу відносять скло, кераміку і їх композиції зі смолою. В цілому матеріали, дорожчими за попередні. Верхня межа температури 130 градусів Цельсія.
- Штучні полімери різного штибу. Переважно сполуки кремнію. Їх відмітною особливістю вважається висока термостійкість. Так само як і силікатна кераміка. Верхня межа 200 градусів Цельсія.
Різниця по класах обмежується переважно робочими температурами. А всередині – градація ведеться по індивідуальним особливостям. Наприклад, скло свідомо займає менше місця, ніж азбест, і рівне з шовком. Кераміка часто охоплює другим шаром обгортку з іншого матеріалу, поверх знаходиться смола для щільного укладання.Істотна різниця проявляється, коли габарити мають першорядне значення. Це переважно джерела живлення на 400 і 800 Гц, що використовуються в авіації. Тоді застосовують матеріали другого класу, навіть якщо за вартістю виходить дорожче. Побутовий електронний трансформатор часто має дешеву ізоляцію. Це обумовлено малою потужністю і вимогою зниження ціни. В результаті авіаційні блоки живлення вдається зменшити на 30-50%.Зі сказаного тепер легко зрозуміти, чому на більшості дорогих побутових трансформаторів (зі звичайної апаратури) вказані граничні робочі температури 135 градусів Цельсія (допускається короткочасне перевищення над зазначеним вище порогом). Це межа другої, середньої за вартістю, групи. Напис шукайте на запобіжнику, забитої в обмотку, всередині відеомагнітофона або плеєра.Для малогабаритних трансформаторів на початку п'ятдесятих параметри довелося вимірювати заново. Отримані для промислових мережевих напруг не годилися через різницю в частоті. Матеріали першої групи не дозволяють якісно ізолювати дріт на 50 Гц. Решта дрібні щілини не вдається замазати смолою, обмотки починають іскрити (коронний розряд). Для перевірки опору ізоляції виконується тривалий випробування високою напругою.Першопрохідці визначали умови тесту наступним чином. Припустимо, береться зразок мідного дроту перетином жили 0,5 мм. Помічено, що ізольований першою групою матеріалів, предмет починав іскрити вже на 1250 В. Тоді знижували випробувальну напругу на 20-30% від досягнутого порогу. Точність виготовлення варіюється між підприємствами, в кожному випадку проводиться тест на коронний розряд.
Діодний міст
Двухполуперіодні випрямлячі, використовувані в електронних трансформаторах, розглядаються в огляді по доданими мостам. Ця частина схеми перетворює змінну вхідна напруга в униполярного. Іноді ставиться фільтр для згладжування пульсацій. Різниця потенціалів виходу діодного моста використовується для живлення двотактної схеми – транзисторного мультивібратора.Мультивібратори – генератори імпульсів
Очевидно, що для зниження маси трансформатора і поміщення його в настільки малий корпус потрібно підвищити робочу частоту з 50 Гц до ультразвуку. Конкретне значення вибирає виробник. Мультивибратор з транзисторів дозволяє задати будь-яке значення, що обмежується лише наявної на руках елементної базою. Часто електронні трансформатори з корпусом із сталі. Це екран, що перешкоджає випромінюванню високочастотної хвилі в простір.Структурно мультивібратори відносяться до підсилювачів класу D (хоча б один елемент працює в імпульсному режимі). Робота в ключовому режимі вимагає від транзисторів відомого швидкодії. У замкненому стані струм між колектором і емітером близький до нуля. Імпульсний режим до того ж підвищує ККД мультивибратора. Перші пристрої зазначеного класу описані Генрі Абрахамом в журналі Annales de Physique за 1919 рік. Вважається, що пристрій став попередником цифрової техніки, роком опісля з'явився перший тригер Екклза-Джордана.Мультивібратори бувають керованими і некерованими, але все – генератори імпульсів заданої частоти, близьких за формою до прямокутної. Навантаженням їм служить малогабаритний трансформатор. У першому випадку допустимо змінювати шпаруватість і інші параметри, але електронний трансформатор зазвичай не надає подібних складних можливостей, інакше сильно збільшується ціна.За теорією мультивибратор допустимо побудувати на будь-якому типі активних елементів, але з цілком зрозумілої причини використовуються транзистори. Специфічні особливості роботи досягаються за рахунок впровадження ланцюга зворотного зв'язку ємнісного або індуктивного типу (для зміщення фази), обидва активних елемента по черзі керують один одним.
Більшого розмаху коливань досягають, використовуючи складені транзистори: послідовно включені за певною схемою. На малюнку представлена схема, де RC-ланцюжок із заданою постійною часу керує парою транзисторів, формуючи імпульси заданої частоти. Це типовий електронний трансформатор на 12 В для галогенних (газорозрядних) лампочок. Випускаються номінали 6 і 24 В, що живляться від промислової мережі 110 або 220 В. Принцип дії поданої схеми:
- Вхідна напруга 220 В випрямляється доданими мостом, виробляючи заряд конденсатора. Ця вхідні ланцюжок задає частоту перемикання Діака. Ставлячи підлаштування конденсатор, можливо добитися ефекту діммірованія лампочок.
- Діак відкривається і заряджає RC-ланцюжок другого транзистора, провокуючи початок коливань.
- Діод не дає напрузі впасти остаточно, щоб транзистор Т2 закрився в кінці періоду.
- На точці насичення сердечника дроселя зворотного зв'язку транзистор вимикається.
Верхня частота перемикань обмежується тільки конструкцією сердечника імпульсного трансформатора і перехідними характеристиками транзисторів. Типова частота перемикань складає 35 кГц. Шпаруватість імпульсів задається RC-ланцюжками на базах транзисторів. На другій схемі представлений варіант реалізації захисту від короткого замикання. Несправні галогенні лампочки, які споживають занадто великий струм, стають причиною перегріву транзисторів і виходу з ладу. Напівпровідникові p-n-переходи необоротно втрачають властивості.
При занадто високому споживанні включається транзистор ланцюга захисту, RC елементи якої затримують спрацьовування транзистора Т1. Ситуація спостерігається при запалюванні дуги. Холодний катод виявляє малий опір і легко пропускає струм. У міру прогріву металевого електрода струм знижується, і транзистори трансформатора виходять на нормальний режим. Цим продовжується термін служби виробу. Після закінчення часу затримки (задається через Rs і Cs) пристрій пробує запуститися знову, і якщо струм не перевищує заданого значення, схема входить в нормальний режим.
Вимоги до транзисторів
Через високий робочої напруги і вимог до низької вартості транзистори вибираються біполярні. Щоб знизити показники, використовується полу мостова схема включення. Пікове напруга становить 350 В, а при виключенні вхідного фільтра, енергія, запасена дроселем, видає імпульс амплітудою до 500 В.
Особливість полумостовой схеми: напруга ділиться між двома транзисторами. Отже, максимальний робочий струм знаходиться через вихідну потужність. Для приладу на 50 Вт складе 0,64 А. Як сказано вище, при першому включенні лампочок це значення часом істотно перевищений (до 10 разів від номінального значення). Отже, через транзистори короткочасно може текти струм до 6,5 А.Із зазначених міркувань рекомендується для електронного трансформатора потужністю 50 Вт вибирати транзистори з максимально допустимою напругою від 450 В і вище при струмі до 7 А. Про частоті сказано вище. Вона залежить від параметрів імпульсного трансформатора і визначається постійної часу заряду RC-ланцюжка. Типове значення – 35 кГц. Занадто повільні транзистори здатні привести до зриву частоти і введення осердя імпульсного трансформатора в режим насичення в кінці кожного циклу. Збережена енергія буде повернута на колектори у вигляді піку значної висоти, що гіпотетично призведе до порушень в роботі виробу.