Как выбрать трансформатор для блока питания

Обновлено: 03.07.2024

Обычно я работаю на своем ноутбуке, но у меня все еще есть настольный компьютер, который я использую для программных проектов. Во всех громоздких источниках питания, используемых в настольных компьютерах, и прецизионных источниках питания для гальванической развязки на входе стабилизатора используется трансформатор SMPS. Если вы проектируете импульсный источник питания, вам необходимо оценить поведение всех трансформаторов (как для входного выпрямления, так и в секции силового трансформатора), которые обеспечивают желаемое выходное напряжение и пульсации в пределах ваших допусков.

Что такое импульсный трансформатор?

Трансформатор SMPS используется в импульсном источнике питания для обеспечения гальванической развязки. Импульсный трансформатор в изолированном источнике питания обеспечивает четкий барьер, предотвращающий прохождение опасного высокого напряжения на выход, обеспечивая безопасность от поражения электрическим током на выходе. Недостатком изолированного источника питания является его низкий КПД и большие габариты. КПД неизолированного SMPS может превышать ~95 %, тогда как КПД изолированного источника питания обычно составляет от 70 % до 90 %.

Низкий КПД изолированного SMPS возникает из-за используемого в корпусе SMPS-трансформатора. Поскольку эти источники питания работают при высоком напряжении/токе, они пропускают сильные магнитные поля в сердечник трансформатора SMPS. Гистерезис будет возникать в магнитных сердечниках, используемых в трансформаторах SMPS, когда входной сигнал переменного тока колеблется. Существует опасность насыщения сердечника трансформатора во время работы при очень высоком входном токе, что приводит к более сильному гистерезису и рассеиванию тепла в сердечнике.

Изготовители трансформаторов SMPS и материалов сердечника обычно поставляют кривые гистерезиса со своими компонентами, что позволяет разработчику определить пределы входного тока. Блоки SMPS с более низкой эффективностью будут нагреваться до более высоких температур при работе с высоким напряжением / током, поэтому для отвода тепла им требуются некоторые стратегии управления тепловым режимом. В блоках питания с высокой выходной мощностью радиаторы обычно используются с установленными на корпусе вентиляторами для обеспечения достаточного охлаждения.

Размещение импульсного трансформатора

Трансформатор SMPS может быть размещен в одном или нескольких местах в цепи регулятора. Реальные источники питания обычно содержат несколько ступеней преобразования и регулирования мощности, и в любой из них может быть включен трансформатор SMPS. Поскольку трансформатор предназначен для обеспечения гальванической развязки, его обычно размещают между ступенью регулирования выхода и ступенью переключения. Точное расположение SMPS будет зависеть от топологии источника питания. Две распространенные топологии, в которых используется трансформатор SMPS, — это обратноходовой преобразователь и прямоходовой преобразователь.

Упрощенная блок-схема, показывающая типичное размещение импульсного трансформатора в топологии источника питания.

Выбор высокоэффективного импульсного трансформатора

Существует много типов импульсных трансформаторов, в которых используются различные материалы сердечника, направления намотки и количество катушек. В большинстве топологий SMPS будет использоваться трансформатор с 2 витками, в то время как в других (например, мост или LLC) будет использоваться трансформатор с 3 витками. Трансформатор с 3 катушками часто используется для обеспечения нескольких уровней выходной мощности от одной схемы SMPS.

Разные материалы сердечника насыщаются при разной напряженности магнитного поля, что определяет максимальное напряжение, которое можно использовать с трансформатором. Вы всегда должны выбирать трансформатор, который работает в диапазоне линейного гистерезиса для вашего источника питания, чтобы свести к минимуму нагрев и потери мощности. Некоторые данные о насыщении и потерях показаны в таблице ниже (источник данных).

Есть старая поговорка: "Используйте правильный инструмент для работы!" Но иногда есть несколько «правильных инструментов» для работы, так как же узнать, какой из них использовать? Чтобы выбрать правильный блок питания, необходимо понять некоторые важные основы.

Линейка продуктов питания от Jameco Electronics включает в себя широкий выбор блоков питания. Они обеспечивают все ваши потребности в источниках питания от настенных адаптеров и настольных блоков питания до открытых/закрытых источников питания переменного тока в постоянный и преобразователей постоянного тока/инверторов постоянного тока в переменный. Какой бы инструмент вы ни выбрали в качестве источника энергии, вы можете быть уверены, что получите продукцию отличного качества, подходящую для работы.

Условия подачи питания

Во-первых, давайте проясним некоторые термины, которые часто сбивают людей с толку, но важны при выборе правильного блока питания сетевого адаптера. «Переключающие» блоки питания переменного тока в постоянный по сравнению с «линейными» источниками питания часто вводят в заблуждение тех, кто с ними не знаком.

Линейные источники питания принимают входное переменное напряжение (обычно 120 или 240 В переменного тока), понижают напряжение с помощью трансформатора, затем выпрямляют и фильтруют входное напряжение, превращая его в выходное напряжение постоянного тока.

Импульсный источник питания принимает на вход переменный ток, но сначала выпрямляет и фильтрует постоянный ток, затем снова преобразует его в переменный ток с некоторой высокой частотой переключения, понижает напряжение с помощью трансформатора, а затем выпрямляет и фильтрует на выходе постоянный ток.< /p>

Разница между линейным и коммутационным процессами заключается в том, что они позволяют использовать разные компоненты. Линейный источник питания обычно менее эффективен, в нем используется более крупный и тяжелый трансформатор, а также более крупные компоненты фильтра. Импульсный источник питания обеспечивает более высокий КПД благодаря высокой частоте переключения, что позволяет использовать меньший по размеру и менее дорогой высокочастотный трансформатор, а также более легкие и менее дорогие компоненты фильтра. Импульсные блоки питания содержат больше габаритных компонентов, поэтому обычно дороже.

Примечание.
Существует разница между "переключением" на стороне ввода и "переключением" на стороне вывода. То, что мы только что обсудили, относится к переключению на стороне выхода. Говоря о входной стороне, есть 2 типа «переключаемых» блоков питания:

1) Переключение — автоматическое переключение между входами переменного тока и частотами или
2) Выбор переключателем — на источнике питания имеется ручной переключатель, который изменяет диапазон и частоту входного переменного тока.

Подводя итог, несмотря на то, что линейный процесс кажется более эффективным из-за более короткого процесса, импульсный источник питания на самом деле более эффективен.

Astec ACV15N4.5 — линейный блок питания 15 В, 4,5 А
Размеры: 7,0" Д x 4,8" Ш x 2,7" В

Mean Well PS-65-15 — импульсный блок питания 15 В, 4,2 А
Размер: 5,0" Д x 3,0" Ш x 1,7" В

Многие вопросы также возникают, когда речь идет о «регулируемых» и «нерегулируемых» источниках питания. Эти термины относятся к цепи управления источника питания.

В нерегулируемом источнике питания переключающий транзистор работает с постоянным рабочим циклом, поэтому выходной сигнал не контролируется. Выходы не остаются на определенном значении; вместо этого они немного колеблются при приложении различных нагрузок. Только очень низкое напряжение может привести к отключению питания.

В регулируемом источнике питания выходная мощность поддерживается очень близкой к номинальной за счет изменения рабочего цикла для компенсации изменений нагрузки. Это обеспечивает лучшую защиту ваших устройств и более точные результаты.

Основные различия между регулируемыми и нерегулируемыми блоками питания заключаются в защите и цене. Регулируемые блоки питания обеспечивают лучшую эффективность и защиту, но нерегулируемые блоки питания значительно дешевле по стоимости.

Jameco ReliaPro 12 В, 1 А, регулируемый линейный настенный адаптер
Цена 1 ед.: 14,95 долл. США

Нерегулируемый линейный настенный адаптер Jameco ReliaPro 12 В, 1 А
Цена 1 шт.: 9,95 долл. США
Теперь, когда вы знаете, что искать, убедитесь, что у вас есть все необходимые детали. Если по какой-то причине вы не можете найти то, что вам нужно, просто напишите нам, и мы постараемся найти это для вас.

После входа в систему вы будете перенаправлены обратно к этому руководству и сможете подписаться на него.

Самый распространенный и недорогой тип блока питания, который вы встретите, — это толстая вилка на основе трансформатора. Всякий раз, когда вы покупаете какую-либо бытовую электронику, вы получаете одно из следующих:

Эти ребята повсюду - всевозможные номиналы напряжения и силы тока. Они доступны для продажи в любом магазине, но есть некоторые важные вещи, на которые стоит обратить внимание! Во-первых, выходное напряжение не будет 9 В (например) из коробки, это номинальное напряжение является просто минимальным выходным значением для номинального тока (например, 200 мА). Кроме того, на выходе будет много пульсаций!

Прежде чем мы поговорим именно об этих ребятах, давайте вернемся в то время, когда инженерам приходилось создавать блоки питания голыми руками!

Пару десятилетий назад единственным способом построить источник питания было использовать большой коренастый трансформатор 120/12 В переменного тока. Трансформатор использовался для снижения высокого напряжения от стены до менее опасного уровня. Затем диоды и конденсаторы использовались для преобразования переменного тока в постоянный.

Мы не будем вдаваться в подробности электромагнитной теории, лежащей в основе трансформаторов, за исключением того, что они сделаны из двух катушек проволоки, вокруг куска железа. Если количество витков одинаково с обеих сторон, то переменное напряжение одинаково с обеих сторон. Если на одной стороне в два раза больше катушек, на ней в два раза больше напряжения. Их можно использовать «назад» или «вперед»! Для получения более подробной информации обязательно посетите страницу Википедии.

а другая половина будет выводить 12 В переменного тока ("вторичная" "низкая сторона"). Трансформатор работал двумя способами: во-первых, он брал опасное высокое напряжение и преобразовывал его в гораздо более безопасное низкое напряжение, во-вторых, он изолировал две стороны. Это сделало его еще безопаснее, потому что горячая линия не могла появиться в вашей электронике и, возможно, убить вас электрическим током.

Мы будем использовать схематический символ для обозначения трансформатора, его две катушки внутри вытянуты наружу, схематический символ будет иметь одинаковое количество катушек с обеих сторон, поэтому руководствуйтесь здравым смыслом и любыми схематическими индикаторами, которые помогут вам в этом. выяснить, что первично, а что вторично!

Теперь, когда напряжение находится на уровне около 12 В переменного тока, не связанном с электрическим током, его можно преобразовать в постоянный ток. Самый простой и дешевый способ преобразования (также называемого выпрямлением) переменного тока в постоянный — использование одного диода. Диод — это простой электронный «клапан», пропускающий ток только в одном направлении. Поскольку переменное напряжение меняется от положительного к отрицательному, а нам нужны только положительные, мы можем подключить его так, чтобы цепь получала только положительную половину цикла переменного тока.

Вы можете использовать силовой диод, такой как 1N4001 , они чрезвычайно распространены и могут выдержать много злоупотреблений. Сторона с серебряной полосой соответствует стороне схематического символа, на которую указывает «стрелка» в символе диода. Это единственное направление, в котором может течь ток. Затем выходной сигнал разделяется пополам, так что напряжение становится только положительным.

То, что мы имеем сейчас, на самом деле не AC и не DC, а эта комковатая волна. Хорошей новостью является то, что теперь он имеет только положительное напряжение, а это значит, что на него можно безопасно поставить конденсатор.

Это конденсатор емкостью 2200 мкФ (0,0022 Фарад), рядом с одной ножкой стоят знаки (-), это отрицательная сторона. Другая сторона положительная, и на ней никогда не должно быть напряжения, чтобы отрицательный контакт был «выше», чем положительный, иначе будет ПУХ!

Конденсатор сглаживает напряжение, убирая комки, подобно тому, как пружинные толчки в автомобиле или горном велосипеде уменьшают неровности дороги. Конденсаторы хороши для этого, но большие конденсаторы, которые хороши для этого (электролитические), не выдерживают отрицательного напряжения - они взорвутся!

Поскольку напряжение очень неравномерное (большие пульсации), нам нужен очень большой конденсатор электролитического типа. Насколько велик?Ну, за этим стоит много математики, о которой вы можете прочитать, но грубая формула, которую вы должны иметь в виду, такова:

Напряжение пульсаций = потребляемый ток / ((частота пульсаций) * (размер конденсатора))

или написать иначе

Размер конденсатора = потребляемый ток / ((частота пульсаций) * (напряжение пульсаций))

Для однополупериодного выпрямителя (один диод) частота составляет 60 Гц (или 50 Гц в Европе). Текущее потребление - это максимальное количество тока, которое потребуется вашему проекту. Напряжение пульсаций — это то, сколько пульсаций будет на выходе, с чем вы готовы жить, а емкость конденсатора указана в фарадах.

Итак, допустим, у нас есть потребляемый ток 50 мА и максимальное напряжение пульсаций 10 мВ, с которым мы готовы жить. Для однополупериодного выпрямителя емкость конденсатора должна быть не менее = 0,05/(60 * 0,01) = 0,085 фарад = 85 000 мкФ! Это массивный и дорогой конденсатор. По этой причине редко можно увидеть пульсации напряжения ниже 10 мВ. Чаще всего наблюдаются пульсации около 100 мВ, а затем применяется другой метод уменьшения пульсаций, например микросхема линейного регулятора.

Вам не нужно запоминать эту формулу, но вы должны помнить следующее: когда ток увеличивается, а емкость конденсатора остается неизменной, пульсации увеличиваются. Если ток увеличивается, а вы хотите, чтобы пульсации были одинаковыми, емкость конденсатора также должна увеличиваться.

Чтобы вдвое уменьшить размер пульсаций/конденсатора, можно использовать двухполупериодный выпрямитель вместо однополупериодного. Двухполупериодный выпрямитель использует 4 диода, расположенных своеобразным образом, так что он одновременно пропускает положительное напряжение и «переворачивает» отрицательное напряжение в положительное.

Как видите, горбов в два раза больше, а не "половина времени без напряжения". Это означает, что мы можем разделить рассчитанный размер конденсатора на половину того, что было в предыдущем случае.

По сути, двухполупериодный выпрямитель намного лучше, чем однополупериодный! Так зачем вообще говорить о выпрямителях полуволнового типа? Ну, потому что они полезны для нескольких других целей. В общем, вы вряд ли увидите преобразователь переменного тока в постоянный, использующий полуволну, поскольку стоимость диодов компенсирует экономию на размере и стоимости конденсатора!

Хорошо, теперь, когда мы рассмотрели трансформаторы, диоды, используемые в качестве выпрямителей, и большие конденсаторы, давайте снова взглянем на массивный штепсельный блок. На этот раз мы заглянем внутрь, разрезав его пополам! Этот блок питания рассчитан на 9 В постоянного тока при 200 мА.

Вау, это выглядит очень знакомо, не так ли? Слева направо видны провода, идущие к трансформатору от розетки, на выходе трансформатора есть два силовых диода и большой конденсатор (2200 мкФ). Вы можете быть немного озадачены двумя диодами — разве их не должно быть четыре для двухполупериодного выпрямителя? Оказывается, если у вас есть специальный трансформатор, сделанный с «центральным отводом» (провод, идущий к центру), вы можете обойтись всего двумя диодами. Так что это действительно двухполупериодный выпрямитель, только с трансформатором с центральным отводом.

Эти вилки на основе трансформатора очень дешевы в изготовлении - примерно меньше 1 доллара США!

Итак, теперь мы возьмем свежий блок питания (не используйте тот, который вы распилили пополам, конечно) и измерим выходное напряжение с помощью мультиметра.

Ай! 14В? Это не похоже на 9V на упаковке, это сломанная бородавка? Нет! Это совершенно нормально! Настенные адаптеры на основе трансформатора не предназначены для получения точных выходных сигналов. Во-первых, трансформатор, если вы помните, сделан из мотков проволоки. Катушки по большей части действуют как катушки индуктивности, но все же имеют небольшое сопротивление.Например, если катушка имеет сопротивление 10 Ом, то ток 200 мА приведет к потере V = I * R = (0,2 Ампер) * (10 Ом) = 2 Вольта только в медной обмотке! Еще одна вещь, которая вызывает потери, заключается в том, что металлический сердечник трансформатора становится менее эффективным по мере увеличения величины преобразуемого тока. В целом, существует много неэффективных факторов, из-за которых объем выпускаемой продукции будет колебаться. Как правило, выходное напряжение может в два раза превышать «номинальное» напряжение при потребляемом токе менее 10 мА.

Когда я подключил резистор на 100 Ом (потребление 110 мА) от положительного контакта к отрицательному, напряжение упало до 11,2 В

При нагрузке 35 Ом (230 мА) напряжение падает до 7,7 В!

По мере того, как сопротивление становится все меньше и меньше, потребляемый ток становится все выше и выше, а напряжение падает (это технический термин для этого!) Вы также можете увидеть увеличение пульсаций по мере увеличения тока.

Теперь мы можем, по крайней мере, понять смысл надписи «9 В 200 мА» на этикетке. Пока мы потребляем менее 200 мА, напряжение будет выше 9 В.

Хорошо, после всей этой работы вы задаетесь вопросом, какое это вообще имеет значение? Причина, по которой это важно, заключается в том, что куда бы вы ни посмотрели, эти бородавки на стенках «неконтролируемы» и, следовательно, крайне подозрительны. Вы просто не можете доверять им, чтобы дать вам напряжение, которое вы хотите!

Например, предположим, что у вас есть проект микроконтроллера, и для него требуется питание 5 В, как и во многих проектах "сделай сам". Вы не должны пойти и купить 5-вольтовый трансформаторный источник питания, подобный приведенному выше, и просто вставить выходную мощность в свой микроконтроллер - вы его уничтожите! Вместо этого вам нужно будет построить стабилизатор на 5 В, такой как обычный LM7805, который будет получать около 9 В от трансформатора и преобразовывать его в хорошие стабильные 5 В почти без пульсаций.

Итак, вот что вы всегда должны делать:

Всегда проверяйте блок питания мультиметром, чтобы узнать максимальное напряжение.
Предположим, что напряжение может быть в два раза выше ожидаемого.
Предположим, что напряжение будет падать по мере увеличения тока.
Если вы используете блок для маломощного использования, скажем, ваша цепь потребляет максимум 100 мА, найдите блок с очень похожим номинальным током.

Возможно, вам интересно, почему кто-нибудь не сделает силовую вилку с трансформатором, несколькими диодами и LM7805, которая даст вам хорошее выходное напряжение 5 В, вместо того, чтобы все встраивали ее в проектную схему? Хотя это интересная идея, есть несколько причин, по которым они этого не делают. Во-первых, закрытый настенный адаптер будет перегреваться. Другое дело, что для некоторых проектов требуется более одного напряжения, скажем, 5 В и 3,3 В. Но, в конце концов, это, наверное, для простоты изготовления. Фабрика, производящая штепсельные вилки, производит сотни тысяч штепсельных вилок предсказуемых размеров и цен, в каждой стране есть множество фабрик, производящих вилки, подходящие для сетевого напряжения и типа штепсельной вилки. Разработчикам, скажем, DVD-плеера легче, когда они могут просто сказать: «Все, что на входе выше 7 В и ниже 20 В, будет работать для нас», и производитель штекеров сопоставляет их с наиболее близким продуктом, который они уже делают.

В настоящее время существуют переключаемые вилки питания, которые решают большую часть этой проблемы. Они тоньше и легче трансформаторов и почти не имеют проблем с нагревом, поэтому они могут иметь точные выходные параметры, которые не колеблются. Однако с точки зрения схемы они намного сложнее, что означает, что они также намного дороже трансформаторных источников питания, возможно, в 5-10 раз дороже, и имеют недостаток, заключающийся в том, что они «более шумные» в электрическом отношении. Но поскольку стоимость деталей и сборки снижается, они стали намного популярнее, чем даже 10 лет назад.

Впервые это руководство было опубликовано 29 июля 2012 г. Последний раз оно обновлялось 29 июля 2012 г.

Эта страница (трансформаторные преобразователи переменного тока в постоянный) последний раз обновлялась 20 марта 2022 г.

Принятие решения о покупке силового трансформатора может быть непростой задачей. Вы можете полагаться на утверждения дилера или занять собственную информированную позицию.Однако для сознательного выбора оптимальной конфигурации необходимо иметь базовые представления о концепциях трансформаторов. Это поможет вам получить лучшую сделку от производителя электрических трансформаторов по вашему выбору.

В этом посте представлены 8 ключевых факторов, которые имеют значение при выборе лучшего силового трансформатора.

1) Количество фаз

Однофазный или трехфазный; Тип трансформатора, который вам нужен, будет зависеть от типа оборудования, для которого он предназначен. Обычно однофазные трансформаторы используются для малогабаритной техники, используемой в домашнем хозяйстве. «Три фазы» подходят для крупных производств с более высокой нагрузкой. Производитель силового трансформатора указывает фазу и тип оборудования, с которым совместим трансформатор, в своей брошюре.

2) Рассмотрение напряжения

Первичное и вторичное напряжения трансформатора зависят от требований к входному и выходному напряжению вашего оборудования. Входящее питание определяет эти напряжения.

3) Частота трансформатора

Электроснабжение вашего объекта необходимо учитывать при рассмотрении частоты трансформатора. Входящие и исходящие частоты могут различаться в некоторых случаях. Вместе с трансформатором можно купить преобразователь частоты для изменения выходной мощности. Обычно требования к частоте импортного оборудования отличаются от требований к отечественной продукции.

4) Номинальная мощность трансформатора в кВА

Ваше решение о покупке должно зависеть от максимальной нагрузки, с которой, по вашему мнению, будет совместим трансформатор. мощность трансформатора в кВА (киловольт-ампер) является показателем размера и характера электрической нагрузки, которую трансформатор способен выдержать. Если вы хотите изготовить трансформатор по индивидуальному заказу в соответствии с потребностями вашего оборудования в мощности, вы можете указать мощность в кВА производителю.

Соответственно, напряжение на первичной и вторичной обмотках, а также допустимый ток могут быть настроены производителем электрического трансформатора. Всегда помните о максимальной нагрузке, которую должен выдерживать трансформатор.

5) Цель Трансформера

Еще один ключевой фактор, о котором следует помнить, – назначение трансформатора. Трансформаторы могут использоваться по разным причинам. Ваше решение должно основываться на результате, т. е. будет ли он использоваться для изоляции, для достижения фактора К или для использования в качестве автотрансформатора.

6) Атмосфера помещения, где должен быть установлен трансформатор

Технические характеристики силового трансформатора могут различаться в зависимости от среды, в которой вы собираетесь его использовать. Если ваш трансформатор будет использоваться на открытом пространстве, подверженном воздействию погодных условий, вам необходимо заказать трансформатор с масляным охлаждением или заполненный жидкостью. Это убережет металлические обмотки от опасного воздействия погоды.

В процессе изготовления трансформаторов Custom также учитывается температура окружающей среды. В процессе проектирования необходимо учитывать температуру помещения, в котором будет работать трансформатор.

Если трансформатор предназначен для использования во взрывоопасных зонах, его технические характеристики должны соответствовать положениям, установленным регулирующим государственным органом.

7) Пространство

Обычно силовые трансформаторы изготавливаются с предварительно заданными размерами сердечника. Однако это не является ограничением, если вам не хватает места для установки. Вы можете указать свои потребности производителю электрического трансформатора, чтобы он был разработан для установки в доступном для вас месте. Это облегчает безопасный и легкий подъем и сборку компонентов трансформатора.

Читайте также: