Berechnung des Transformators für Flyback-Schaltnetzteil (Flyback)

Die Popularität von Flyback-Netzteilen (IPRs, Flyback) hat in letzter Zeit aufgrund der Einfachheit und Billigkeit dieser Schaltungslösung stark zugenommen. Auf dem Markt finden Sie häufig integrierte Schaltungen, die fast den gesamten Hochspannungsteil einer solchen Quelle enthalten. Der Benutzer muss nur den Transformator anschließen und den Niederspannungsteil zusammenbauen nach Standardschemata. Für die Berechnung von Transformatoren gibt es auch eine Vielzahl von Software - von universellen Programmen bis hin zu spezialisierten Softwareherstellern von integrierten Schaltkreisen.

Heute möchte ich über die manuelle Berechnung eines Impulstransformators sprechen. "Warum wird das benötigt?" Der Leser kann fragen. Erstens impliziert die manuelle Berechnung des Transformators ein vollständiges Verständnis der in der Stromquelle ablaufenden Prozesse, was häufig nicht der Fall ist, wenn der unerfahrene Funkamateur den Transformator in einer speziellen Software berechnet. Zweitens können Sie bei der manuellen Berechnung die optimalen Parameter für die Funktion der Quelle auswählen (und eine Vorstellung davon haben, welcher Parameter in welche Richtung geändert werden sollte, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen).

Also fangen wir an. Das Blockschaltbild des IPR ist in Abb. 1 dargestellt. 1. Es besteht aus folgenden Hauptfunktionseinheiten: Schalter Sw, Transformator T1, Ausgangsspannungsgleichrichter VD1 und C2, Hochfrequenz-Interferenzfilter C1 und Dämpfer Snb.

Abb. 1

Eine solche Quelle funktioniert wie folgt (siehe vereinfachte Diagramme in Fig. 2): Zum Anfangszeitpunkt t0 öffnet der Schalter Sw und versorgt die Primärwicklung des Transformators T1 mit der Eingangsspannung Uin. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung am unteren Anschluss der Wicklung I (Punkt a) Null (relativ zum negativen Eingangsspannungsdraht), der Strom beginnt in der Wicklung I linear anzusteigen und die Spannung proportional zum Transformationskoeffizienten T1 (UoutInv) erscheint an der Wicklung II. Die Polarität dieser Spannung ist jedoch negativ (oben am Ausgangsanschluss der Wicklung II, Punkt b), so dass die Diode VD1 geschlossen ist und die Spannung zum Ausgangskondensator C2 nicht durchläuft. Über das Intervall Ton (von t0 bis t1) steigt der Strom durch die Wicklung I linear auf den Wert Imax an, und die Energie wird im Transformator T1 in Form eines Magnetfeldes gespeichert.


Abb. 2

Zum Zeitpunkt t1 schließt der Schalter Sw abrupt, der Strom durch die Wicklung I stoppt und es erscheint eine selbstinduktive EMF, die so gerichtet ist, dass der gestoppte Strom fortgesetzt wird. In diesem Moment wird die Wicklung I selbst zu einer Spannungsquelle. Dies liegt daran, dass die Energie in der Induktivität in Form eines Stroms gespeichert wird (tatsächlich in Form eines Magnetfelds, aber proportional zum Strom durch die Spule, daher lautet die Energieformel in der Spule A = LI² / 2), dies jedoch nach dem Gesetz der Energieeinsparung nicht möglich ist spurlos verschwinden, sie muss irgendwohin gehen. Folglich kann der Strom in der Spule nicht sofort aufhören, so dass die Spule selbst zu einer Spannungsquelle mit einer beliebigen Amplitude (!) Wird - um unmittelbar nach dem Schließen des Schlüssels die Fortsetzung des gleichen Stroms Imax sicherzustellen. Dies ist das erste wichtige Merkmal eines Induktors.woran man sich erinnern sollte -Mit einem scharfen Stromabbruch in der Spule wird sie zu einer Spannungsquelle beliebiger Amplitude und versucht, den darin unterbrochenen Strom sowohl in Richtung als auch in Amplitude aufrechtzuerhalten . Was genau ist eine Amplitude? Groß genug, um beispielsweise einen Hochspannungsschalter zu deaktivieren oder einen Funken in der Zündkerze des Autos zu bilden (ja, diese Eigenschaft von Induktoren wird in der Zündung des Autos verwendet).

Alles, was oben beschrieben wurde, wäre passiert, wenn die Wicklung I die einzige Wicklung des Transformators T1 gewesen wäre. Es hat jedoch immer noch die Wicklung II, die induktiv mit I gekoppelt ist. Daher erscheint zum Zeitpunkt t1 auch eine EMF darin, die so gerichtet ist, dass am Punkt b ein Plus in Bezug auf den Boden vorliegt. Diese EMK öffnet die Diode VD1 und beginnt, den Kondensator C2 mit dem Strom I2max zu laden. Das heißt, Die Ladung des Kondensators C2 und die Übertragung von Energie auf die Last erfolgt in dem Moment, in dem der Schalter Sw geschlossen ist. Aus diesem Grund werden nach diesem Prinzip aufgebaute Netzteile als Flyback bezeichnet. Da sie keine direkte Energieübertragung vom Hochspannungs- zum Niederspannungsteil haben, wird die Energie zunächst in einem Transformator gespeichert und dann an den Verbraucher abgegeben .

In dem Zeitintervall von t1 bis t2 hält der von I2max auf 0 linear abnehmende Sekundärwicklungsstrom I2 das Magnetfeld innerhalb der Spule gemäß dem Energieeinsparungsgesetz aufrecht und lässt die Spannung an der Primärwicklung (da sie induktiv gekoppelt sind) nicht auf einen unkontrollierten Wert ansteigen. Die Spannung an der Wicklung I wird zu diesem Zeitpunkt gleich der Ausgangsspannung multipliziert mit dem Transformationskoeffizienten T1. Die Polarität dieser Spannung ist jedoch so, dass sie zur Eingangsspannung Uin addiert und an den privaten Schlüssel Sw angelegt wird. Das heißt, Der private Schlüssel Sw wird mit einer Spannung angelegt, die größer als der Eingang ist! Dies ist auch ein wichtiges Merkmal von geistigen Eigentumsrechten, an das man sich erinnern sollte.

Zum Zeitpunkt t2 endet die im Transformator T1 gespeicherte Energie, die Diode VD1 schließt, die Spannung am Punkt b wird Null, am Punkt a die Eingangsspannung, und alle Prozesse in der Schaltung stoppen bis t3, wenn der gesamte Zyklus von Anfang an wiederholt wird. Darüber hinaus wird in den Zeitintervallen t0-t1 und t2-t4 die Last ausschließlich durch die vom Ausgangskondensator C2 gespeicherte Energie versorgt .

Der beschriebene Betriebsmodus des IPR wird als Modus diskontinuierlicher Ströme bezeichnet - d.h. Während des Intervalls Toff (t1-t3) wird die gesamte im Transformator T1 gespeicherte Energie auf die Last übertragen, daher beginnt zum Zeitpunkt t3 der Strom durch die Primärwicklung I von Null an anzusteigen. Es gibt auch einen Dauerstrommodus, wenn zum Zeitpunkt t3 noch ein Teil der Energie im Transformator T1 verbleibt und der Strom durch die Wicklung I zum Zeitpunkt t3 nicht bei Null beginnt. Dieser Modus hat seine eigenen Eigenschaften, Vor- und Nachteile, über die wir beim nächsten Mal sprechen werden.

Was sind die Hauptmerkmale eines IPR im Bruchstrommodus? Schreiben wir die wichtigsten Punkte:

1. , , . , . 2, , , , .
2. , , , , ! , , ( «» ). , .
3. , , , . , , .
4. , I 1 Ton ( ) , II Toff. , «» «» Toff Ton. .., , Duty cycle ( , D), Ton/(Ton + Toff) I Uin. .
5. , I2max, II t1 Imax, , I II ( ).
6. I2max ( 2.5 ), VD1 . , .
7. ( ) II.
8. VD1 . - , ( ) , ( ) .

Erklärung zu Absatz 4. Aus der Physik erinnern wir uns an die Formel für den Induktor:

U (t) = L * (dI (t) / dt) ,

was bedeutet, dass die Spannung an der Spule direkt proportional zu ihrer Induktivität multipliziert mit der Änderungsrate des Stroms darin ist . Was gibt uns das? Zuallererst die Tatsache, dass, wenn wir eine konstante Spannung U an die Spule anlegen, die Änderungsrate des Stroms darin konstant ist. Dies ermöglicht es uns, die Formel für konstante Spannung ohne Differentiale umzuschreiben:

U = L * (ΔI / Δt) ,

und sie entspricht dieser Formel des Stromgraphen in Abb. 2 gerade. Wenn wir die Spannung Uin für die Zeit Ton an die Spule anlegen, steigt der Strom darin auf den Wert

Imax = Uin * Ton / L.

Jetzt wollen wir (in der am meisten belasteten Betriebsart), dass die gesamte Energie der Spule, die wir gerade eingegeben haben, während des Toff-Intervalls auf die Last übertragen wird, d. H. zum Zeitpunkt t3 sollte der Strom in der Spule auf Null fallen. Stellen wir uns hier der Einfachheit halber vor, dass wir beide Spannung / Strom von derselben Spule I liefern und entfernen. Später werde ich erklären, warum eine solche Annahme möglich ist. Wir berechnen, mit welcher Spannung wir die Spule „entladen“ können, damit der Strom zum Zeitpunkt t3 Null erreicht:

Udis = L * Imax / Toff ,

Ersetzen und vereinfachen:

Udis = L * Uin * Ton / (L * Toff) = Uin * Ton / Toff,

d.h. Die Spannung, auf die wir die Spule in den Momenten „entladen“ müssen, in denen die Sw-Taste geschlossen ist, hängt nur von der Eingangsspannung und den Intervallen von „Laden“ - „Entladen“ ab. Erinnern Sie sich an die Arbeitszyklusformel D:

D = Ton / (Ton + Toff),

also:

Udis = Uin * D / (1 - D)

Die Spannung, auf die wir die Spule „entladen“, ist jedoch die Sperrspannung, die in der Primärwicklung zu bestimmten Zeitpunkten auftritt Schlüssel schließen. Das heißt, wir haben festgestellt, dass es nur von der Eingangsspannung und dem Arbeitszyklus D abhängt und durch die Formel bestimmt wird:

Uinv = Uin * D / (1 - D)

Bei Arbeiten unter realen Bedingungen ändert sich der Wert des Arbeitszyklus D in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und der Last der Stromversorgung. Es nimmt seinen Maximalwert D bei minimaler Eingangsspannung und maximaler Ausgangsleistung an - diese Betriebsart wird als die schwierigste angesehen, und dieser Maximalwert D wird bei der Auslegung des Geräts festgelegt. Was passiert in den Momenten, in denen die Eingangsspannung des Geräts höher oder die Last unvollständig ist? D nimmt kleinere Werte an, weil Ab einer höheren Spannung wird die Energie schneller in der Primärwicklung „gespeichert“, oder (bei geringerer Last) Sie müssen nur eine kleinere Energiemenge „speichern“. In jedem Fall ist die Sperrspannung an der Primärwicklung immer gleich, weil es ist starr mit der Ausgangsspannung verbunden, die wiederum durch die Schaltung stabilisiert wird. AlsoDie maximale Sperrspannung am Schlüssel beträgt:

Usw = Umax + Umin * D / (1 - D)

Dies ist ein wichtiger Punkt bei der Gestaltung von geistigen Eigentumsrechten, weil normalerweise ist die maximale Sperrspannung am Schlüssel der Anfangsparameter, d.h. Das maximale Tastverhältnis D ist ebenfalls ein Anfangswert . In der Praxis werden normalerweise die folgenden maximalen D-Werte verwendet: 25% (1/4), 33% (1/3) und seltener 50% (1/2). Wie Sie verstehen, ist im letzteren Fall die maximale Sperrspannung am Schlüssel gleich dem Doppelten der minimalen Eingangsspannung, was die Auswahl eines Halbleiterbauelements erschwert. Niedrigere Maximalwerte von D reduzieren wiederum die maximale Leistung bei gleichem Strom Imax, erschweren die Steuerung der Sw-Taste und verringern die Stabilität des Geräts.

Warum haben wir hier die Annahme getroffen, dass wir beide Energie liefern und aus der Primärwicklung I entfernen, und was wird in der Realität passieren, wenn die Energie aus der Spule II entfernt wird? Das selbe. Die Spannung an den Anschlüssen einer Transformatorwicklung ist proportional zur Änderungsrate des Magnetfelds im Kern (und das Feld ist proportional zum Strom, sodass die Spannung proportional zur Änderungsrate des Stroms ist). Daher spielt es keine Rolle, welcher Wicklung wir Energie entnehmen. Wenn wir dies mit derselben Geschwindigkeit tun, nimmt das Magnetfeld im Transformator gleichmäßig ab und die gleiche Spannung liegt an den Anschlüssen der Primärwicklung an. Aber welche Spannung muss die Sekundärwicklung „entladen“ werden, damit die Energie mit der gleichen Geschwindigkeit abgeführt wird? Betrachten Sie dazu zunächst den Strom in der Sekundärwicklung.

Erläuterung zu Absatz 5. Lassen Sie die Wicklung I N1 Windungen haben, während die Wicklung II - N2. Das Magnetfeld wird durch den Strom erzeugt, der durch jede Spule der Spule fließt, d.h. es ist proportional zum Produkt I * N. Dann erhalten wir Imax * N1 = I2max * N2 (unter der Annahme, dass beide Wicklungen unter genau den gleichen Bedingungen gewickelt sind), daher der Anfangsstrom der Sekundärwicklung:

I2max = Imax * N1 / N2

Der Strom in der Sekundärwicklung ist also N1 / N2-mal höher als in der Primärwicklung. Aber welche Spannung sollten wir die Sekundärwicklung „entladen“, um die gesamte im Transformator zum Zeitpunkt t3 gespeicherte Energie zu verbrauchen? Offensichtlich müssen wir dies mit genau der gleichen Geschwindigkeit tun; d.h. Zu jedem einzelnen Zeitpunkt verliert der Transformator den gleichen Energiewert dA (t). Aber im ersten Fall ist dA (t) = Udis * I1 (t) * dt (erhalten aus A = W * T, W = U * I), und jetzt ist es dA (t) = Uout * I2 (t) * dt . Wir setzen diese beiden Funktionen gleich:

Uout * I2 (t) = Udis * I1 (t), daher sollten zu Beginn der „Entladung“ die momentanen Entladungsleistungen gleich sein:

Uout * I2max = Udis * Imax,

Uout = Udis * Imax / I2max = Udis * Imax / (Imax * N1 / N2) = Udis * N2 / N1

Das heißt, Um die gesamte Energie des Transformators zum Zeitpunkt t3 zu verbrauchen, müssen wir die Sekundärwicklung II auf die Spannung Udis * N2 / N1 "entladen", während der Entladestrom linear von Imax * N1 / N2 auf Null abfällt. Daher haben wir eine Beziehung zwischen der Ausgangsspannung des Geräts, der Anzahl der Windungen in den Wicklungen und der Sperrspannung an der Primärwicklung des Transformators hergestellt.

Dieser rein theoretische Teil endet und wir können mit der Praxis fortfahren. Die erste Frage, die sich derzeit für den Leser am wahrscheinlichsten stellt, ist, wo überhaupt mit der Entwicklung von Rechten des geistigen Eigentums begonnen werden soll. Im Folgenden werde ich die empfohlene Abfolge von Schritten angeben. Beginnen wir mit der Situation, in der der Transformator vollständig unabhängig hergestellt werden soll (es gibt keine strengen Einschränkungen).

1. Wir bestimmen die Ausgangsspannungen und Ströme der Stromquelle.
2. , (VD1). , 1 0.3 . , , .. .
3. .
4. Pin = Pout/0.8 ( 80%).
5. F. 20 150. 20 ( «»), 150 , ( ). , : 66 100 .
6. , . +20%, .. Umax = U*1.7 (391 230). ( 400 ).
7. , . -20%, . 230 1 1 , ( ) Umin = 220. , , Umin 260.
8. D ( Uinv = Umax + Umin*D/(1 – D)).
9. , : Aimp = in*1s/F = in/F.
10. : A = LImax²/2, Umin = LImax*F/D, L = Umin²*D²/(2*Aimp*F²), Imax = Umin*D/(L*F) – , .
11. Imax .
12. Imax , () , – D ( ), , Umin. , – , Imax = 2*Pin/(Umin*D). , 8 ( D), , .
13. Imax , .
14. , , ( ).
15. N2 = Uout*N1*(1 – D)/(Umin*D) .
16. Irms = Imax*SQRT(D/3), , . 2 5 /².
17. .
18. , , .

Nun ein kleiner Blick auf den Transformator selbst und sein Design. Traditionell wird der Transformator zum Schalten von Stromversorgungen auf einem Kern aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität hergestellt. Dies ermöglicht, dass die gleiche Anzahl von Windungen der Wicklungen ihre Induktivität stark erhöht, d.h. Reduzieren Sie die Anzahl der Windungen, um eine bestimmte Induktivität zu erreichen, und reduzieren Sie daher die Abmessungen der Wicklung. Die Verwendung des Kerns bringt jedoch Nachteile mit sich - aufgrund der magnetischen Hysterese im Kern geht ein Teil der Energie verloren, der Kern erwärmt sich und die Kernverluste nehmen mit zunehmender Frequenz zu (ein weiterer Grund, aufgrund dessen die Umwandlungsfrequenz nicht stark erhöht werden kann). Das Hinzufügen des Kerns führt auch einen neuen eineine zuvor unangekündigte Einschränkung - die maximal zulässige Flussdichte der magnetischen Induktion Bmax. In der Praxis manifestiert sich dies in der Tatsache, dass, wenn Sie den Strom durch die Wicklung zu einem bestimmten Zeitpunkt erhöhen, wenn der Strom einen bestimmten Maximalwert erreicht, der Kern gesättigt wird und ein weiterer Anstieg des Stroms nicht wie zuvor zu einem Anstieg des Magnetflusses führt. Dies führt wiederum dazu, dass die "relative Induktivität" der Wicklung stark abfällt, was zu einem noch schnelleren Anstieg des Stroms durch die Wicklung führt.Dies führt wiederum dazu, dass die "relative Induktivität" der Wicklung stark abfällt, was zu einem noch schnelleren Anstieg des Stroms durch die Wicklung führt.Dies führt wiederum dazu, dass die "relative Induktivität" der Wicklung stark abfällt, was zu einem noch schnelleren Anstieg des Stroms durch die Wicklung führt.In der Praxis brennt der Schlüssel einfach vor der aktuellen Überlastung, wenn Sie den Schutz des Schlüssels Sw OIP vor dem Eingang des Kerns in die Sättigung nicht vorsehen . Daher wird in allen IPR-Schaltkreisen mit Ausnahme der einfachsten Blockierungsgeneratoren eine Stromsteuerung über die Sw-Taste und ein vorzeitiges Schließen der Taste angewendet, wenn der maximal zulässige Strom durch die Primärwicklung erreicht ist.

Wie groß ist der Maximalwert der Flussdichte der magnetischen Induktion? Für das am häufigsten verwendete Kernmaterial - Ferrit - wird ein Wert von 0,3 T angenommen. Dies ist ein Durchschnittswert, der für jedes Material unterschiedlich sein kann. Es ist daher hilfreich, hier auf die Referenz zurückzugreifen. Es hängt auch von der Kerntemperatur ab und nimmt, wie Sie wahrscheinlich bereits vermutet haben, mit zunehmender Temperatur ab. Wenn Sie ein IPR entwerfen, das für den Betrieb unter extremen Bedingungen ausgelegt ist, bei denen die Kerntemperatur bis zu 125 Grad erreichen kann, reduzieren Sie Bmax auf 0,2 T.

Die Hauptformel, die Sie bei der Berechnung von Transformatoren verwenden müssen, ist die Wicklungsinduktivität gemäß ihren Abmessungen:

L = (μ0 * μe * Se * N²) / le , wobei

μ0 die absolute magnetische Permeabilität des Vakuums ist, 4π-7,
μe ist die effektive magnetische Permeabilität des Kerns,
Se ist die effektive Querschnittsfläche des Magnetkreises, m².
N - Anzahl der Windungen
le - Länge der durchschnittlichen magnetischen Linie des Kerns, m

Dichte des Flusses der magnetischen Induktion im Kern:

B = (μ0 * μe * I * N) / le , wobei

I der Strom durch die Wicklung ist, A

Somit basiert auf der maximal zulässigen Dichte Magnetfluss beträgt der maximal zulässige Strom für die Wicklung:

Imax = (Bmax * le) / (μ0 * μe * N)

Und jetzt noch ein sehr wichtiger Punkt: Wenn wir in der Praxis die realen Daten des Transformators in den obigen Formeln ersetzen, stellt sich heraus, dass der maximal zulässige Strom in der Primärwicklung um ein Vielfaches geringer ist als das, was wir brauchen! Das heißt, Der Kern wird in die Sättigung eingeführt, noch bevor wir die erforderliche Energie Aimp in ihn "pumpen" können. Was tun, um die Abmessungen des Transformators nicht auf unanständige Werte zu erhöhen?

Nein. In den Kern muss ein nichtmagnetischer Spalt eingeführt werden! Die Einführung eines nichtmagnetischen Spaltes verringert die effektive magnetische Permeabilität des Kerns erheblich, so dass ein viel größerer Strom durch die Wicklungen fließen kann. Wie Sie wissen, sind jedoch mehr Windungen erforderlich, um die erforderliche Induktivität der Wicklung zu erreichen.

Betrachten Sie die Formeln für den Kern mit einer Lücke. Die effektive magnetische Permeabilität des Kerns mit einem Spalt:

μe = le / g , wobei

g die Gesamtdicke des Spaltes ist, m.

Es ist zu beachten, dass diese Formel nur gültig ist, wenn das resultierende μe viel kleiner als die ursprüngliche magnetische Permeabilität ist (mehrmals) und g viel kleiner als die Querschnittsgröße ist Kern. Wir werden also die Formel für die Induktivität der Wicklung am Kern mit einer Lücke betrachten:

L = (μ0 * Se * N²) / g Die

Formel für die Einführung der Lücke ist nur einfacher geworden. Der maximal zulässige Strom durch die Wicklung:

Imax = (Bmax * g) / (μ0 * N)

Well und die letzte Formel, die unabhängig abgeleitet werden kann. Die Spaltgröße für einen gegebenen Strom:

g = (I * μ0 * N) / Bmax

Lassen Sie uns nun eine interessante Schlussfolgerung ziehen. Wie Sie sich erinnern, wird die in der Spule gespeicherte Energie durch die Formel A = LI² / 2 ausgedrückt. Welche maximale Energie kann also in einem abstrakten Kern gespeichert werden? Ersetzen Sie die Daten in den Formeln.

Amax = (μ0 * Se * N²) * (Bmax * g) ² / ((μ0 * N) ² * 2g) = Se * g * Bmax² / 2μ0

Nun werden Sie vielleicht überrascht sein, aber die maximale Energie, die im Kern gespeichert werden kann, egal welche Wicklungen darauf gewickelt sind! Dies ist jedoch logisch, da Energie in einem Magnetfeld ausgedrückt wird und die Wicklungen nur eine Änderung in die eine oder andere Richtung zulassen! Die Anzahl der Windungen in den Wicklungen bestimmt nur die Geschwindigkeit, mit der die magnetische Induktion bei einer bestimmten angelegten Spannung ihren Maximalwert erreichen kann. Dieser Maximalwert wird jedoch nur durch die Kernkonstruktion bestimmt!

Diese Schlussfolgerung ist für das Design von IPRs auf einheitlichen Kernen von großer Bedeutung . Wenn Sie vor einer solchen Aufgabe stehen, müssen Sie zunächst berechnen, wie viel maximale Energie der ausgewählte Kern in einem Impuls „absorbieren“ kann, um zu verstehen, ob er für Ihre Blockleistung geeignet ist. Wie Sie wissen, kann in diesem Fall die maximale Leistung des Blocks nur durch Erhöhen der Umwandlungsfrequenz erhöht werden. Je öfter wir Amax-Energie von Eingang zu Ausgang pumpen, desto mehr Leistung können wir dadurch erhalten.

Aus der erhaltenen Formel ist auch ersichtlich, dass die Energiemenge, die in den Kern „passen“ kann, direkt proportional zum nichtmagnetischen Spalt ist! Dies ermöglicht die Verwendung kleiner Kerne mit hoher Kapazität, indem der Spalt in ihnen vergrößert wird. Die Beschränkung betrifft nur noch die physikalischen Abmessungen - eine Vergrößerung des Spaltes führt zu einer Abnahme der magnetischen Permeabilität, was eine größere Anzahl von Windungen erfordert.

Und nun zurück zum Blockschaltbild des IPR in Abb. 1. Es blieben zwei Blöcke darin, über die ich nichts gesagt habe - das sind Kondensator C1 und Snubber Snb.

Der Zweck des Kondensators C1 besteht darin, den Ausgangsteil der Einheit bei hohen Frequenzen zu erden. Tatsache ist, dass jeder Transformator, selbst wenn er nach allen Regeln mit Sieben gewickelt ist, eine Art Wicklungskapazität hat. Eine rechteckige Hochfrequenzspannung mit großer Amplitude von Punkt a geht durch diese Kapazität zum Ausgangsschaltkreis der Einheit. Der Kondensator C1 mit einer Kapazität, die viel größer als die Kapazität des Transformators T1 ist, erdet den Ausgang des Geräts bei hohen Frequenzen. Der Kapazitätswert dieses Kondensators in einem IPR wird am häufigsten im Bereich von 2 nF gewählt, die Spannung beträgt etwa Kilovolt. Wenn eine harte Erdung des Ausgangs des Geräts angenommen wird (zum Beispiel wird nur eine Buchse mit Erdung verwendet), kann C1 weggelassen werden.

Der Bedarf an Snabber Snb ergibt sich auch aus der Unvollkommenheit des T1-Transformators, jedoch einer völlig anderen Art. Trotz der Tatsache, dass die Wicklungen I und II induktiv miteinander gekoppelt sind, ist diese Verbindung nicht 100%. In der Schaltung eines IPR ist es üblich zu sagen, dass die Wicklung I aus zwei in Reihe geschalteten Teilen besteht, wobei die erste vollständig induktiv mit der Wicklung II verbunden ist und die zweite vollständig von dieser isoliert ist. Dieser zweite Teil der Wicklung I wird als "Streuinduktivität" bezeichnet.

Wenn im Moment t1 der Strom in der Primärwicklung (beide Teile davon) abrupt stoppt, versucht auch die Streuinduktivität, ihn fortzusetzen. Und da es mit keiner anderen Wicklung verbunden ist, erzeugt es einen Hochspannungsimpuls, der an den privaten Schlüssel Sw angelegt wird. Die Energie dieses Impulses ist um ein Vielfaches geringer als die nutzbare Energie Aimp (je besser der Transformator, desto weniger ist er im Allgemeinen), kann jedoch ausreichen, um den Schlüssel zu beschädigen (im Fall eines Bipolartransistors reicht dies beispielsweise für einen Lawinendurchbruch aus). Um den Schlüssel vor diesem Impuls zu schützen, wird er durch eine spezielle Schaltungslösung gelöscht.


Abb. 3

Die einfachste Option ist ein RCD-Dämpfer aus Diode, Kondensator und Widerstand (siehe Abb. 3). Die an der Wicklung I auftretende Sperrspannung öffnet die Diode VD und beginnt mit dem Laden des Kondensators C. Dadurch wird die gesamte Impulsenergie auf den Kondensator übertragen. Zwischen den Impulsen wird der Kondensator über den Widerstand R entladen Die Energie, die aus der Verlustinduktivität entnommen wird, wandelt sich letztendlich in Wärme am Widerstand R um, daher muss die Leistung dieses Widerstands signifikant sein (erreicht Einheiten von Watt). Der Vorteil von Snubber kann als seine einfache Schaltung angesehen werden, und die Tatsache, dass ein Teil der Energie vom Kondensator C unter Verwendung der langsamen Diode VD zum Transformator T zurückgepumpt werden kann, aber diese Prozesse sind bereits etwas komplizierter als unser einfacher Artikel. Der Hauptnachteil des Snubbers ist, dass auch die Nutzleistung darauf abfällt!Schließlich lädt die Arbeitsumkehrspannung der Primärwicklung Vinv auch den Kondensator auf diesen Wert auf, d.h. Uinv² / R Nettoleistung wird verschwendet.

Der Entstörer ist eine Schaltungslösung ohne diesen Nachteil. Es ist eine in Reihe geschaltete schnelle Diode VD1 und eine leistungsstarke und schnelle Zenerdiode VD2. Wenn die Streuinduktivität ihren Hochspannungsimpuls erzeugt, öffnet sie die Diode VD1, bricht die Zenerdiode VD2 und die Impulsenergie wird darauf abgeleitet. Die Zenerdiode VD2 wird mit einer höheren Durchbruchspannung als die Sperrspannung Uinv ausgewählt, sodass die Nutzleistung des Geräts nicht abgeführt wird. Die Nachteile des Suppressors umfassen ein höheres Maß an elektromagnetischer Interferenz, das mit einem scharfen Öffnen und Schließen von Halbleiterbauelementen verbunden ist.

Was passiert, wenn dieser Hochspannungsimpuls von nichts zurückgezahlt wird? Bei einem bipolaren Schlüssel tritt höchstwahrscheinlich ein Lawinenzusammenbruch auf, und die Stromversorgung wechselt in den Kesselmodus. Moderne Feldeffekttransistoren sind resistent gegen Lawinendurchbruch und ermöglichen es Ihnen, eine bestimmte Energiemenge am Drain abzuleiten (dies wird in der Dokumentation beschrieben). Daher kann ein solcher Transistor ohne Dämpfer oder Suppressor arbeiten - der Transistor spielt seine Rolle. Außerdem habe ich einige billige chinesische Netzteile getroffen, in denen es gemacht wurde. Ich empfehle diese Betriebsart jedoch dringend nicht, da Dies verringert die Zuverlässigkeit des Geräts weiter. Eine Suppressordiode (Zenerdiode) ist sehr billig und für kolossale gepulste Leistung (600 W, 1,5 kW) ausgelegt. Warum also nicht für den vorgesehenen Zweck verwenden?

Auch aus dem Obigen folgt eine andere Schlussfolgerung. Unabhängig davon, ob Sie sich für die Verwendung eines Dämpfers oder eines Unterdrückers entscheiden, ist die Sperrspannung am geschlossenen Schlüssel sogar höher als der berechnete Arbeitswert Usw! Dies sollte bei der Auswahl eines Schlüssels berücksichtigt werden.

Üblicherweise haben moderne Schlüsseltransistoren und Mikroschaltungen eine zulässige Sperrspannung von 600 - 800 Volt. Bei Umax = 391 V, Umin = 220 V hat die Sperrspannung am Usw-Schlüssel die folgenden Werte (abhängig von D): D = 25%, Usw = 464B; D = 33%, Usw = 501B; D = 50%, Usw = 611B. Dies bedeutet, dass für Schlüssel mit einer maximalen Sperrspannung von 600 V nur D = 33% oder weniger ausgewählt werden sollte. Für Schlüssel mit einer Sperrspannung von 700 V können Sie D = 50% wählen.

Nun, am Ende des Artikels werde ich ein einfaches Beispiel für die Berechnung des IPR geben. Angenommen, wir möchten ein einfaches Netzteil herstellen, mit dem wir 12 V 1 A am Ausgang erhalten. Wir berechnen es nach Punkten:

1. Der Ausgang des Geräts beträgt 12V 1A.
2. Vor der Ausgangsdiode (wir werden ein herkömmliches Silizium verwenden) sollte 13V sein.
3. Die Ausgangsleistung des Transformators beträgt 13W.
4. Die geschätzte Eingangsleistung des Geräts beträgt Pin = 13 / 0,8 = 16W.
5. F = 100 kHz.
6. Umax = 391 V.
7. Umin = 220 V (Kapazität des Eingangsfilterkondensators - 22 mkf).
8. D = 33%, Uinv = 110 V, Usw = 501 V. Wir werden uns auf Schlüssel mit einer Sperrspannung von 600 V konzentrieren.
9. Aimp = 16/100000 = 1,6e-4J = 160 uJ.
10. L = 1,65e-3HH = 1,65 mH, Imax = 0,44A
11. Wir wählen den Kern aus, berechnen die Parameter der Wicklung und des Spaltes.

Zum Vergleich berechnen wir jetzt das gleiche IPR für den Fall, dass die zulässige Netzspannung im Bereich von 85 bis 230 V liegen kann. Was sind die Unterschiede?

1. Umax = 391B
2. Umin = 85B ( 47)
3. D = 60%, Uinv = 128, Usw = 519, 600.
4. Aimp = 16/100000 = 1.6e-4 = 160.
5. L = 813, Imax = 0.63

Beachten Sie, dass sich die Parameter des maximalen Stroms durch den Schalter nicht so stark geändert haben - von 0,44 A auf 0,63 A hat sich die Induktivität halbiert, aber der Bereich der zulässigen Eingangsspannungen hat sich sehr stark erweitert. Dies ist ein weiterer Vorteil des IPR - die einfache Erstellung von Stromquellen, die mit einem weiten Bereich von Eingangsspannungen arbeiten.

Es ist möglich, dass dieser Artikel nicht alle Nuancen des Aufbaus von Rechten des geistigen Eigentums vollständig berücksichtigt, aber sein Volumen erwies sich als mehr als geplant. Trotzdem hoffe ich, dass sie Anfängern helfen kann, die Prinzipien zu verstehen und selbstständig Flyback-Stromquellen zu schaffen.

Source: https://habr.com/ru/post/de388313/