46 «О холостом ходе, габаритной мощности и не только»

Ясно, что нужно просто просуммировать активные потери по всем обмоткам.

При правильном выборе материала магнитопровода, типоразмера, аккуратном изготовлении, КПД трансформатора должен получиться высоким (около 98%), поэтому радиолюбителю можно только для интереса посчитать КПД своего детища. Профессиональному разработчику расчет КПД трансформатора может потребоваться для указания его в технических условиях.

На этом закончим наше первое знакомство с трансформаторами. Мы вернемся к их расчету в главе, посвященной проектированию высокочастотных двухтактных преобразователей. А сейчас разберем еще один немаловажный специальный вопрос.

3.1. Работа индуктивных элементов в условиях однополярных токов

Мы посвятили этому вопросу отдельную главу, поскольку начинающие разработчики импульсной техники, взявшись за проектирование так называемых однотактных схем, проясняют его зачастую слишком поздно, когда дым от сгоревшего силового транзистора уже рассеялся.

Рассмотрим электромагнитное изделие, изображенное на рис. 3.1.

В данном случае для нас не принципиально, что мы исследуем — Трансформатор, или дроссель. Пусть имеется замкнутый магнитопро-Вод, на котором размещена обмотка На эту обмотку подается напряжение и_х в виде однополярных импульсов длительностью 1_и. По-

перечное сечение магнитопровода — 5¹, а материал магнитопровода является ферромагнетиком, то есть характеризуется гистерезисом, условно изображенном на рис. 3.2.

По закону электромагнитной индукции напряжение, приложенное к обмотке уравновешивается возникающей ЭДС:

Внимание! В формуле появляется начальное значение индукции 5(0), соответствующее моменту времени I = 0. Нам интересно оценивать не само значение индукции, а ее приращение, то есть относительное изменение:

Поскольку напряжение и, имеет форму, изображенную на рис. 3.1, интегрирование этого выражения приводит к очень простому результату:

Теперь наглядно рассмотрим процесс намагничения магнитопро-вода (рис. 3.2). Пусть до подачи первого импульса магнитопровод находился в полностью размагниченном состоянии (В = О, Н = 0). При воздействии первого импульса точка А перемещается по основной кривой намагничения, и в момент окончания импульса индукция достигает значения В_х, равного АВ. По достижении индукцией значения В_х напряженность в это же время достигает значения Н_х. После окончания импульса напряжения намагничивающий ток в первичной обмотке и напряженность магнитного поля в магнитопроводе упадут до нуля. Однако вследствие гистерезиса точка А не вернется в начало координат. Двигаясь по нисходящей ветви некоторого частного гистере-; зисного цикла, она достигает положения, определяемого остаточной индукцией В_г1 и Н- 0.

То есть индукция в момент действия импульса линейно нарастает и к моменту окончания импульса будет:

При воздействии следующего импульса индукция в магнитопроводе должна увеличиться сначала снова на А8ик моменту окончания второго импульса будет иметь новое значение В₂ = В_г1 + АВ. Поэтому при воздействии второго импульса точка А перемещается по восходящей ветви частного гистерезисного цикла на участке В_г1 - В_х, а затем — по основной кривой намагничения до точки В₂.

' По окончании импульса с уменьшением намагничивающего тока тбчка А по нисходящей ветви нового частного гистерезисного цикла Д) - В_г2 займет положение В = В_г2, Н = 0. При этом В_г2 > В_г!, В₂> В„

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока точка А не достигнет положения В = В_г, Н = 0. При воздействии всех последующих импульсов точка А будет перемещаться по ветвям частного

предельного несимметричного гистерезисного цикла, отмеченного на рис. 3.2 штриховкой. Именно этот цикл и характеризует электромагнитные процессы в магнитопроводе, протекающие под воздействием однополярных импульсов напряжения. О чем это говорит? Чем выше для конкретного материала величина остаточной индукции при равной величине индукции насыщения, тем меньше возможное приращение индукции, тем менее эффективно используется магнитопровод.

Для работы в данном режиме следует выбирать материалы, обладающие как можно меньшей остаточной индукцией, как можно большей индукцией насыщения и минимальной напряженностью магнитного поля, при которой достигается насыщение ферромагнетика. К сожалению, характеристики реальных материалов таковы, что даже у самых лучших представителей класса ферромагнетиков остаточная индукция примерно равна половине индукции насыщения. Поэтому необходимо пользоваться другими методами снижения остаточной индукции.

Еще раз обратим внимание на рис. 3.1. Предположим, что мы разрезали магнитопровод, то есть ввели в него воздушный зазор 8, достаточно малый по сравнению с длиной средней линии /₀, а также с линейными размерами сечения магнитопровода. Поскольку величина зазора небольшая, магнитное поле в нем можно считать однородным в силу непрерывности магнитного потока (сколько силовых линий «вошло», столько и «выйти» должно):

Понятно, что 5₀ = 5₅ = Б, тогда 2)₀ = В₅ - В.

Магнитная индукция и в зазоре, и в магнитопроводе остается постоянной, следовательно, должна меняться напряженность. Чтобы наглядно увидеть это, воспользуемся теоремой о циркуляции Н:

Мы приходим к важному выводу, широко использующемуся на практике: введение зазора снижает эквивалентную проницаемость сердечника, и она становится приблизительно равной отношению длин средней линии и зазора (естественно, проницаемость сердечника должна быть высокой). В практических расчетах в качестве /₀ можно брать длину средней линии прямо из справочника, не вычитая из нее длину зазора. Погрешность такого допущения будет крайне маленькой.

Что происходит с гистерезисным циклом магнитопровода, в который введен зазор? Воспользовавшись результатами расчетов, приведенных в [10], построим качественную картину. Как мы видим из рис. 3.3, гистерезисный цикл без воздушного зазора — это линия -Я, +В₅, +Н_С. Преобразованный цикл магнитопровода с зазором — линия -В'₅, -Н'_с, +В'₅, +Н’_С. Мы как бы растягиваем петлю гистерезиса в направлении стрелок. При растяжении она разворачивается вокруг точки «О», а остаточная индукция спускается вниз, занимая положение 5', что значительно меньше

Вообще, как показывают исследования, можно выбрать протяженность зазора таким образом, что проницаемость и_с не снизится на порядок по сравнению с р. Такие зазоры принято называть оптимальными. Однако размеры оптимальных зазоров составляют сотые доли миллиметра, что, конечно, вызывает значительные трудности при их изготовлении, да и температурная стабильность таких крохотных зазоров невысока. Нагреваясь, сердечник расширяется, поэтому зазор начинает «плыть». В реальных индуктивных элементах зазор снижает проницаемость сердечника, и с этим приходится мириться. Принято считать, что во сколько раз снизилась проницаемость благодаря введению зазора, во столько же раз упала и величина остаточной индукции.

Разработаны и более эффективные методы снижения остаточной индукции без потери магнитопроводом проницаемости, например, введение дополнительной размагничивающей обмотки, называемой рекуперационной. Это техническое решение можно увидеть в блоках строчной развертки телевизоров. Поскольку для нормального функционирования электронно-лучевой трубки необходимо иметь напряжение величиной в десятки киловольт, разработчики вынуждены бороться за сохранение высокой проницаемости магнитопровода строчного трансформатора, чтобы снизить общее количество витков вторичной обмотки. Рекуперационный метод хорошо описан в литературе, поэтому интересующиеся смогут разобраться в нем самостоятельно. Мы не будем рассматривать принцип рекуперации, поскольку он почти не используется в источниках электропитания и не поддержан массовой элементной базой.

Существуют еще более сложные методы снижения остаточной индукции, такие, как, например, введение симметрирующих обмоток, специальных бандажей и др. Современный разработчик едва ли будет обращаться к ним за помощью.

Особенности работы биполярных транзисторов в ключевом режиме

...Что-то никак не могу я понять, что происходит: подаю я в базу мощного транзистора приличные прямоугольники, а на выходе получаю ерунду—-фронт завален, спад здорово затянут. То ли транзистор открываться не хочет быстро, то ли закрыться ему что-то не дает...

Не случайно импульсные источники часто называют ключевыми. Все дело в том, что их основной регулирующий элемент работает в так называемом ключевом режиме. То есть сопротивление ключа становится то бесконечно большим, то близким к нулевому. Конечно, механические контакты (например, реле) не подойдут для проектирования импульсных источников, поэтому их с успехом заменяют электронными приборами — транзисторами. Однако, как любой неидеальный элемент, транзистор имеет ограниченные возможности. Чтобы спроектировать надежную схему импульсного источника, нужно хорошо представлять себе эти ограничения.

Биполярный транзистор уже давно используется в импульсных источниках электропитания, поэтому мы не будем подробно рассматривать особенности его работы в ключевом режиме, а кратко пробежимся по необходимым для практики сведениям.

Как известно, свойства транзистора как усилителя тока описываются следующим уравнением:

Материал взят из книги

Скачать оригинал КНИГИ в хорошем качестве