Условия эксплуатации трансформаторов питания типа ТП:

Интервал рабочих температур О + 60 °С

Интервал температур при транспортировке и хранении ± 60 °С

Частота питающей сети переменного тока 50 Гц

Огнестойкость UL94 V-0 или V-1

Класс изоляции Т60/Е Электрическая прочность изоляции

первичная - вторичная 4 ООО В эфф - 1 с

первичная - сердечник 4 ООО В эфф - 1с

вторичная - вторичная 500 В эфф - 1 с

Глава 3. Трансформаторы для импульсных источников питания

3.1. Общие сведения

в современной зарубежной бытовой и офисной РЭА, а именно в устройствах их электропитания, находят широкое применение различные типы трансформаторов для импульсных источников питания

Импульсные сетевые блоки и модули питания бытовой и офисной аппаратуры, подключенной к сети переменного тока, применяются для получения напряжений постоянного тока, необходимых для питания всех функциональных узлов РЭА. Такие блоки и модули импульсных источников питания обеспечивают существенные преимущества перед традиционными источниками питания в достижении меньшей материалоемкости, большей удельной мощности и более высокого КПД. Это обусловлено отсутствием традиционных сетевых трансформаторов питания типа ТС, работающих на частоте 50 Гц, и использованием импульсной стабилизации вторичных напряжений вместо ранее общепринятых компенсационных стабилизаторов непрерывного действия.

В импульсных сетевых блоках питания переменное напряжение питающей сети преобразуется в достаточно высокое напряжение постоянного тока при помощи бестрансформаторного выпрямителя с соответствующим фильтром. Напряжение с выхода фильтра поступает на вход импульсного стабилизатора напряжения, основная задача которого заключается в преобразовании выпрямленного напряжения в последовательность прямоугольных импульсов, которые затем преобразуются в постоянное напряжение. Регулировка уровня выходного напряжения осуществляется изменением длительности этих импульсов В состав импульсного стабилизатора напряжения входит регулирующий элемент, который работает в импульсном режиме Переход к ключевому режиму работы регулирующего элемента предопределил достаточно высокий КПД импульсных блоков питания (до 0,9)

Именно наличие ключевого каскада, преобразующего выпрямленное напряжение в последовательность прямоугольных импульсов, и является принципиальной особенностью импульсного блока питания А стабилизация выходного напряжения осуществляется изменением соотношения времени открытого и закрытого состояний ключа, который соединен последовательно с первичной обмоткой высокочастотного импульсного трансформатора Этот трансформатор обеспечивает гальваническую развязку между выходом блока питания и первичной сетью питания переменного тока

Наибольшее распространение получили импульсные блоки питания с высокочастотным импульсным трансформатором, в которых ключевой высокочастотный преобразователь работает на постоянной частоте повторения импульсов, а длительность самих импульсов изменяется под действием формирователя широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

В импульсных блоках питания обычно используются одно- или двухтактные высокочастотные ключевые преобразователи. КПД однотактных преобразователей значительно ниже, чем у двухтактных. Поэтому однотактные импульсные блоки питания мощностью более 70 Вт разрабатывать нецелесообразно. Значительно большую мощность, при достаточно высоком КПД (до 95%), обеспечивают двухтактные преобразователи Их можно подразделить на несколько групп, характеризующихся по способу возбуждения мощных выходных ключевых транзисторов и схемами их включения в цепь первичной обмотки высокочастотного импульсного трансформатора преобразователя. По способу возбуждения преобразователи делятся на две группы с самовозбуждением и с независимым внешним возбуждением. Преобразователи с самовозбуждением достаточно трудоемки в налаживании, а при конструировании мощных (более 200 Вт) импульсных блоков питания сложность их изготовления неоправданно возрастает, поэтому для таких источников питания они малопригодны Преобразователи же с внешним возбуждением наилучшим образом подходят для проектирования импульсных блоков питания повышенной мощности и почти не требуют налаживания По способу подключения ключевых транзисторов к импульсному трансформатору различают три известные схемы полумостовую, мостовую и с первичной обмоткой трансформатора, имеющей отвод от середины обмотки (балансную) Однако во всех перечисленных схемах импульсных блоков питания существует реальная опасность возникновения сквозного тока через ключевые транзисторы и первичную обмотку импульсного трансформатора, вследствие подачи в одно из плеч открывающего напряжения в то же самое время, когда из-за своих инерционных свойств другое плечо еще полностью не закрылось. Такое явление всегда приводит к работе коммутирующих элементов в режиме замыкания, к выходу мз строя дорогостоящих мощных высоковольтных транзисторов и к существенной перегрузке первичной обмотки импульсного трансформатора Это в свою очередь значительно снижает надежность и КПД импульсного блока питания Для устранения подобных нежелательных явлений в таких схемах преобразователей приходится принимать ряд специальных мер по надежному закрытию одного из ключевых транзисторов до открывания второго.

Эти специальные меры значительно усложняют полумостовые, мостовые и балансные схемы импульсных блоков питания, и поэтому в бытовой технике более широкое распространение получили обрат-ноходовые импульсные источники питания, в которых коммутирующий ключевой транзистор в первый такт обеспечивает накопление электромагнитной энергии в обмотках и в магнитопроводе накопительного трансформатора обратного хода, а во второй - ее передачу в нагрузку. Такие трансформаторы обратного хода фактически являются связанными катушками индуктивности с несколькими обмотками или многообмоточными линейными дросселями, служащими прежде всего для накопления электромагнитной энергии с последующей ее передачей в нагрузку и одновременно обеспечивающими развязку в обратноходовых преобразователях.

В зависимости от конкретных требований, предъявляемых к импульсному блоку питания, он может содержать различные дополнительные функциональные узлы и цепи, так или иначе связанные с выходным высокочастотным импульсным трансформатором: стабилизатор выходного напряжения, устройство защиты от перегрузок и аварийных режимов, цепи первоначального запуска, подавления помех и др.

3.2. Трансформаторы тина ТПИ

Импульсные трансформаторы питания (ТПИ) применяются в импульсных устройствах электропитания бытовой и офисной аппаратуры с промежуточным преобразованием напряжения питающей сети 127 или 220 В с частотой 50 Гц в импульсы прямоугольной формы с частотой следования до 30 кГц, выполненные в виде модулей или блоков питания: БП, MГ-, МГ\-2, МП-З, 1\/1П-403 и др. Модули имеют одинаковую схему и отличаются только типом используемого импульсного трансформатора и номиналом одного из конденсаторов на выходе фильтра, что определяется особенностями модели, в которой они применяются.

Мощные трансформаторы ТПИ для импульсных источников питания используются для развязки и передачи энергии во вторичные цепи. Накопление энергии в этих трансформаторах нежелательно. При проектировании таких трансформаторов в качестве первого шага необходимо определить размах колебаний магнитной индукции ДВ в установившемся режиме. Трансформатор должен быть рассчитан на работу при возможно большем значении ДВ, что позволяет иметь меньшее число витков в намагничивающей обмотке, увеличить номинальную мощность и уменьшить индуктивность рассеивания На практике значение ДВ может ограничиваться либо индукцией насыщения сердечника Bs, либо потерями в магнитопроводе трансформатора

В большинстве полномостовых, полумостовых и двухполупериодных (балансных) схем со средней точкой трансформатор возбуждается симметрично. При этом значение магнитной индукции изменяется симметрично относительно нуля характеристики намагничивания, что дает возможность иметь теоретическое максимальное значение ДВ, равное удвоенному значению индукции насыщения Bs. В большинстве одно-тактных схем, используемых, например, в однотактных преобразователях, магнитная индукция колеблется полностью в пределах первого квадранта характеристики намагничивания от остаточной индукции Br до индукции насыщения Bs ограничивая теоретический максимум ДВ до значения (Bs - Br). Это означает, что если ДВ не ограничено потерями в магнитопроводе (обычно на частотах ниже 50...100 кГц), для однотактных схем потребуется трансформатор больших размеров при одной и той же выходной мощности

В питаемых напряжением схемах (которые включают все схемы понижающих стабилизаторов), в соответствии с законом Фарадея, значение ДВ определяется произведением вольт-секунда на первичной обмотке. В установившемся режиме произведение вольт-секунда на первичной обмотке устанавливается на постоянном уровне. Размах колебаний магнитной индукции, таким образом, также постоянен.

Однако, при обычном методе управления рабочим циклом, который используется большинством микросхем для импульсных стабилизаторов, при запуске и во время резкого увеличения тока нагрузки величина дВ может достигать удвоенного значения от значения в установившемся режиме Поэтому, чтобы сердечник не насыщался при переходных процессах, установившееся значение ДВ должно быть в два раза меньше теоретического максимума Однако же, если используется микросхема, позволяющая контролировать значение произведения вольт-секунда (схемы с отслеживанием возмущения входного напряжения), то максимальное значение произведения вольт-секунда фиксируется на уровне, немного превышающем установившийся Это позволяет увеличить значение ДВ и улучшает производительность трансформатора.

Значение индукции насыщения Bs для большинства ферритов для сильных магнитных полей типа 2500НМС превышает значение 0.3 Тл. В двухтактных питаемых напряжением схемах величина приращения индукции ДВ обычно ограничивается значением 0,3 Тл. При увеличении частоты возбуждения до 50 кГц потери в магнитопроводе приближаются к потерям в проводах. Увеличение потерь в магнитопроводе на частотах выше 50 кГц приводит к уменьшению значения ДВ.