Электронный трансформатор

Электронный трансформатор – обыденное название источника питания-преобразователя сетевого напряжения 220 В в 12. Не исключено, что найдутся и прочие номиналы. 12 В переменного тока широко используются для осветительных целей, что обеспечило устройству популярность. Трансформатором устройство названо за альтернативу простому сетевому трансформатору на 220 В.

Благодарности

Нельзя обойти благодарностью Рубена Ли, потрудившегося собрать столько замечательной информации о малогабаритных трансформаторах в одноименной книге. С.В. Куликов оказал большую помощь в объяснении устройства мультивибраторов, а инженеры П. Фичера и Р. Сколло из STMicroelectronics GROUP OF COMPANIES пояснили современное состояние отрасли, дав рекомендации по выбору транзисторов.

Преимущества

Электронный трансформатор существенно меньше обычного и позволяет регулировать выходную мощность. Схема гибкая и легко реализует защиту от короткого замыкания. Побочным эффектом становится низкий уровень шума, отсутствует гудение типичного силового трансформатора (точнее, вибрация арматуры выше уровня восприятия человеческого слуха).

Название и внутреннее устройство

Электронный трансформатор состоит преимущественно из малогабаритного трансформатора и ряда транзисторов. Фактически это сильно упрощённый импульсный источник питания. Вместо генератора на интегральной схеме работает несложный мультивибратор из пары биполярных транзисторов. Фильтры выходного напряжения отсутствуют за ненадобностью, драйвер низковольтных газоразрядных лампочек способен самостоятельно сгладить напряжение. Нет и силового тиристорного ключа, силовые транзисторы и так представляют генератор высокочастотного напряжения. Порядок действий:

1. Диодный мост выпрямляет напряжение, частично фильтруемое дросселями.
2. Пульсирующий поток питает транзисторы, включённые по схеме мультивибратора.
3. С выхода генератора высокочастотных импульсов сигнал подаётся на малогабаритный трансформатор.

Хитрость заключается в том, чтобы создать транзисторы, способные питаться высоким напряжением. Если есть генератор на интегральной схеме (присутствует в каждом импульсном блоке питания), то производители не сильно озадачены лишь двумя силовыми ключами. Для понимания работы электронного трансформатора нужно представлять, на каких принципах зиждется миниатюризация оборудования.

Причины малого размера импульсного трансформатора

Нет чёткой границы между силовыми и импульсными трансформаторами. Просто с увеличением частоты сильно снижаются размеры обмотки и сердечника при прежней пропускаемой мощности. Впервые это осознал Тесла, желавший поднять частоту питания оборудования до 600-700 Гц, дабы сделать ток безопасным для человека. Однако с ростом частоты увеличиваются потери в сердечнике, а волна излучается в пространство, и кабель нуждается в экране. Первое объясняется утолщением петли гистерезиса цикла перемагничивания, что объясняется, как ни странно, текущими в шихтованном материале индукционными токами.

Трансформаторы в исходном виде пришли из сетей электроснабжения. В истории создание приборов приписывают Яблочкову, но, поблагодарив Ответы Мэйл.ру, хочется привести иной взгляд на вопрос:

1. В 1831 году Майкл Фарадей изобрёл первый (тороидальный) трансформатор и на его основе проиллюстрировал действие закона электромагнитной индукции.
2. После Майкла Фарадея трансформаторные конструкции упоминал Джозеф Генри, изобретатель электромагнитного реле. Оба не обратили внимание на преобразующие свойства прибора.
3. В 1848 году Генрих Румкорф изобрёл катушку для получения дуги в искровом промежутке вторичной цепи. Фактически это оказался повышающий трансформатор. Подобные использовал Тесла.
4. 30 ноября 1876 года Павел Яблочков создал стержневой трансформатор с соосными обмотками для целей, по которым прибор используется поныне.
5. Джон и Эдуард Гопкинс в 1884 году создали трансформатор с замкнутым сердечником, повторив затею Фарадея. Несколькими годами позже Свинберн научил людей использовать для изоляции обмоток масло, чем повышался вольтаж.
6. В 1928 году заработал Московский трансформаторный завод (позже – электрозавод).

А теперь увяжем описанное с электрическими сетями. К началу 80-х компания Эдисона уже занималась освещением, Тесла построил первый двухфазный двигатель переменного тока. Разгоревшаяся между ними вражда привела в 90-е годы к «войне токов». Вольтаж сетей начал непрерывно повышаться, пока не достиг 1,2 МВ в 1982 году на линии Экибастуз-Кокшетау. В ногу с упомянутыми достижениями шли трансформаторы, увеличиваясь в размерах.

В ходе «войны токов» Тесла обнаружил, что с повышением частоты вес трансформаторов снижается за счёт миниатюризации обмоток и сердечника. Что привело к созданию первых конструкций для высоких частот. Как известно, рассматриваемые события сопровождались рождением радиосвязи. Внедрение подобных технологий быстро привело к потребности создания сравнительно малогабаритных устройств. Импульсные трансформаторы пришли из радиотехники. К примеру, адаптеры мобильных устройств при формировании напряжений используют простейший амплитудный детектор.

Импульсные трансформаторы обычно сильно нагружены в отличие от сетевых. Подсчитано, что при напряжении 11 кВ поставщики энергии отдают ток 90 кА, а ламповый передатчик на 70 кВт – потребляет лишь 6. Из формулы мощности вычисляется, что сопротивление в первом случае составляет 0,1 Ома, во втором – 2 кОм. Эти значения определяют выходное сопротивление трансформатора. Большую роль играют масса и габариты. Потому промышленные образцы трансформаторов не годятся для электроники: назначение различается.

Материалы малогабаритных трансформаторов

Определяющие факторы

Перечисленные факторы привели к поиску и созданию новых материалов:

• Сталь (холоднокатанная) с ориентированной доменной структурой.
• Полимерная изоляция (включая лаковую).
• Чистейшая радиотехническая медь.
• Смолы, лишённые агрессивных сольвентов.
• Электротехническая сталь с легирующими примесями.
• Пермаллой и прочие ферриты с высоким коэффициентом магнитной проницаемости.

Благодаря этим достижениям химии, физики и технологии производства стало возможным достичь определённых целей:

1. Уменьшить размер связных трансформаторов.
2. Сократить объем, занимаемый высоковольтной частью.
3. Создать фильтры с резкими фронтом и спадом амплитудно-частотной характеристики.
4. Появление трансформаторов, специально предназначенных для передачи импульсного сигнала без потерь.
5. Поднятие спектра пропускания до СВЧ волн.

Последние два пункта обнаруживают прямую связь. Резкие фронты импульсного сигнала обуславливают факт – значительная часть спектра лежит в районе высоких частот. И обычный трансформатор срезал бы участок, исказив форму, сгладив, с одновременной потерей энергии. В середине 50-х люди удивлялись, почему импульсные трансформаторы не строятся по подобию силовых. Ведь известны диаграммы, таблицы, формулы для вычисления сечения жилы, коэффициента мощности, вольтажа. Причины:

1. Диапазон частот. Эффективность трансформатора на нижней рабочей частоте определяется индуктивностью холостого хода, на верхней – распределённой собственной ёмкостью. Указанные паразитные эффекты вызывают утечки энергии, сильно понижая КПД. На указанные параметры влияют: количество витков обмотки, размер сердечника, пересечение обмоток, тип изоляции и др. Высокочастотный трансформатор изготовлен с соблюдением нюансов, чтобы передавать нужный диапазон с минимальными потерями.
2. В электронных цепях главными параметрами считаются активное и реактивное сопротивления обмоток. Иногда идут на ущемление массо-габаритных характеристик ради достижения хорошего коэффициента передачи. Конструкция сильно зависит от назначения и импеданса цепи. Заранее предсказать её, как в случае с силовыми трансформаторами, сложно.

У импульсного трансформатора чаще броневой сердечник с соосным обмотками, продетыми в окна. Это позволяет максимально передать магнитный поток. Ярмовая часть замыкает силовые линии поля, потери энергии минимальны. Боковины вдвое тоньше стержня, поток делится здесь надвое, обтекая катушки снаружи. Периодически стержневой сердечник оказывается более пригодным для решения конкретной задачи. Тогда магнитное поле циркулирует по квадрату, а обмотки надеты на противоположные стороны ферромагнетика. Сердечник, как правило, составной, встык, и катушки одеваются до стыковки половинок для упрощения технологического процесса сборки. Исполнение и степень защиты корпуса определяются климатическими факторами (влажность, температурный режим), ограничениями по габаритам, вольтажом.

Долго не удавалось понять, почему лабораторные исследования потерь перемагничивания в сердечнике не совпадают с реальными данными на высоких частотах. Оказалось, прибор для измерения характеристик создаёт постоянное поле (для увеличения КПД) и блокировки возникновения индукционных токов. Последнее становится причиной расхождений. Индукционные токи прямо влияют на ширину петли гистерезиса. Сегодня для изготовления сердечников используются электротехнические материалы с малой коэрцитивной силой. Максимальные потери отмечаются при достижении магнитной петлёй насыщения, этим ограничивается передаваемая через импульсный трансформатор мощность:

1. Возрастают активные потери на обмотках.
2. Малый КПД.

Форма петли гистерезиса зависит от выбранного материала. Сегодня известны сплавы с прямоугольной характеристикой. Столь необычные качества позволяют создать магнитные усилители. Мощность, передаваемая на сердечник, несёт ярко выраженный реактивный оттенок по очевидным причинам. Активная часть выражает потери в шихтованном материале. Реактивная составляющая прямо зависит от магнитной проницаемости. Холоднокатанная сталь обычно применяется для высоких частот, а сталь горячего катания обнаруживает изрядную долю примеси кремния и используется для промышленной частоты 50-60 Гц. С ростом частоты уменьшается толщина пластин (сообразно изменяются и параметры индукционных токов).

В результате потери сердечника для малогабаритных трансформаторов невелики. Основной вклад вносит омическое сопротивление обмоток. В силовых трансформаторах цифры сопоставимы по величине. Омическим сопротивлением, следовательно, ограничивается минимальное сечение жилы. Полагается выдержать заданные габариты, ведь размеры сердечника жёстко заданы. Эти два противоречивых фактора определяют экономическую целесообразность и пригодность выбранной конструкции.

Краткая характеристика сплавов сердечника

Выбор материала сердечника определяется частотой и индуктивной частью импеданса нагрузки. Холоднокатанную сталь используют там, где реактивная составляющая высока, либо присутствует необходимость пропустить через обмотки постоянный ток. В других ситуациях видится уместным никелевый сплав с большими значениями магнитной проницаемости, но меньшей допустимой плотностью потока.

Сталь, легированная кремнием, имеет наихудшие показатели, но дешёвая. Обладает коэрцитивной силой 0,5 эрстедов, при максимальной магнитной проницаемости 8500 и плотности потока 12 тысяч гауссов. Используется в малогабаритных трансформаторах низкой частоты (включая слышимый диапазон).

Холоднокатанная электротехническая сталь показывает намного лучшие показатели за счёт ориентированной структуры доменов. При равной коэрцитивной силе проницаемость возрастает вчетверо на максимальной плотности потока 17 тысяч гауссов. Служит в качестве сердечника трансформаторов средней мощности.

Ферроникелевый 50% сплав характеризуется коэрцитивной силой, близкой к нулю. Что минимизирует потери петли гистерезиса (на перемагничивание). При невысокой допустимой плотности магнитного потока (10 тысяч гауссов) материал характеризуется потрясающей магнитной проницаемостью (до 50000). Хорошо сопротивляется индукционным токам малой частоты, применяется в широкополосных малогабаритных трансформаторах.

Ферроникелевый 50% сплав с ориентированной структурой доменов используется в режиме насыщения. В сравнении с предыдущим материалом характеризуется увеличенной в полтора раза максимальной плотностью магнитного потока.

Пермаллой (высокопроцентный никелевый сплав) характеризуется большой магнитной проницаемостью в сотни тысяч единиц. Работает при малой плотности магнитного потока, что обусловливает его применение в маленьких по размерам трансформаторах.

Композитная сталь и феррит находят специфическое применение в дросселях и трансформаторах с низкими потерями для радиочастотного диапазона. Особенности производства позволяют создать цельный сердечник любой формы, с материалом низкой температуры Кюри (магнитных свойств). Ферроникелевая лента прекрасно вьётся и служит для создания цельных сердечников, в особенности тороидальной формы. Необычные качества позволяют реализовать на практике концепцию прямоугольной петли гистерезиса.

Обмотки

Считается допустимым сечение жилы 0,645 км. мм на 1 ампер. Это позволяет в первом приближении определить количество меди. Доводка производится по температурным режимам, электрическим параметрам работы трансформатора, в том числе мощности (см. рис.). Дальнейшее сильно зависит от технологических особенностей. К примеру, эмалированный провод 30 калибра, намотанный вручную имеет фактор линейности 97%, автоматизированная сборка снижает параметр до 80%. Одинаковая конструкция обладает характеристиками, зависящими от места изготовления изделия.

Плотность укладки закономерно растёт с уменьшением калибра. Из найденного сечения вычисляется средняя длина витка с целью определить его сопротивление. Конец проволоки обычно припаивается к выводу. Главное требование – низкое омическое сопротивление контакта. Толстую жилу большой мощности сложно намотать, если конец не закреплён. В качестве изоляторов применяются:

1. Органические материалы: шёлк, смола, хлопок, лак, электротехническая бумага. Это первый вид изоляции, введённый в обиход сэром Джозефом Генри. Верхней температурой считается 105 градусов Цельсия.
2. Ко второму классу относят стекло, керамику и их композиции со смолой. В целом материалы, дороже предыдущих. Верхний предел температуры 130 градусов Цельсия.
3. Искусственные полимеры различного толка. Преимущественно соединения кремния. Их отличительной особенностью считается высокая термостойкость. Сюда относится и силикатная керамика. Верхний предел 200 градусов Цельсия.

Разница по классам ограничивается преимущественно рабочими температурами. А внутри – градация ведётся по индивидуальным особенностям. К примеру, стекло заведомо занимает меньше места, нежели асбест, и равное с шёлком. Керамика часто охватывает вторым слоем обёртку из иного материала, поверх находится смола для плотной укладки.

Существенная разница проявляется, когда габариты имеют первостепенное значение. Это преимущественно источники питания на 400 и 800 Гц, используемые в авиации. Тогда применяют материалы второго класса, даже если по стоимости выходит дороже. Бытовой электронный трансформатор часто имеет дешёвую изоляцию. Это обусловлено малой мощностью и требованием снижения цены. В результате авиационные блоки питания удаётся уменьшить на 30-50%.

Из сказанного теперь легко понять, почему на большинстве дорогих бытовых трансформаторов (из обыкновенной аппаратуры) указаны предельные рабочие температуры 135 градусов Цельсия (допускается кратковременное превышение над указанным выше порогом). Это предел второй, средней по стоимости, группы. Надпись ищите на предохранителе, заделанном в обмотку, внутри видеомагнитофона или плеера.

Для малогабаритных трансформаторов в начале пятидесятых параметры пришлось измерять заново. Полученные для промышленных сетевых напряжений не годились из-за разницы в частоте. Материалы первой группы не позволяют качественно изолировать провод на 50 Гц. Оставшиеся мелкие щели не удаётся замазать смолой, обмотки начинают искрить (коронный разряд). Для проверки сопротивления изоляции выполняется продолжительное испытание высоким напряжением.

Первопроходцы определяли условия теста следующим образом. Допустим, берётся образец медного провода сечением жилы 0,5 мм. Замечено, что изолированный первой группой материалов, предмет начинал искрить уже на 1250 В. Тогда снижали испытательное напряжение на 20-30% от достигнутого порога. Точность изготовления варьируется между предприятиями, в каждому случае проводится тест на коронный разряд.

Диодный мост

Двухполупериодные выпрямители, используемые в электронных трансформаторах, рассматриваются в обзоре по диодным мостам. Эта часть схемы преобразует переменное входное напряжение в униполярное. Иногда ставится фильтр для сглаживания пульсаций. Разница потенциалов выхода диодного моста используется для питания двухтактной схемы – транзисторного мультивибратора.

Мультивибраторы – генераторы импульсов

Очевидно, что для снижения массы трансформатора и помещения его в столь малый корпус требуется повысить рабочую частоту с 50 Гц до ультразвука. Конкретное значение выбирает производитель. Мультивибратор из транзисторов позволяет задать любое значение, ограничиваемое лишь имеющейся на руках элементной базой. Часто электронные трансформаторы с корпусом из стали. Это экран, препятствующий излучению высокочастотной волны в пространство.

Структурно мультивибраторы относятся к усилителям класса D (хотя бы один элемент работает в импульсном режиме). Работа в ключевом режиме требует от транзисторов известного быстродействия. В запертом состоянии ток между коллектором и эмиттером близок к нулю. Импульсный режим вдобавок повышает КПД мультивибратора. Первые устройства указанного класса описаны Генри Абрахамом в журнале Annales de Physique за 1919 год. Считается, что устройство стало предшественником цифровой техники, годом спустя появился первый триггер Экклза-Джордана.

Мультивибраторы бывают управляемыми и неуправляемыми, но все – генераторы импульсов заданной частоты, близких по форме к прямоугольной. Нагрузкой им служит малогабаритный трансформатор. В первом случае допустимо менять скважность и прочие параметры, но электронный трансформатор обычно не предоставляет подобных сложных возможностей, иначе сильно увеличивается цена.

По теории мультивибратор допустимо построить на любом типе активных элементов, но по вполне понятной причине используются транзисторы. Специфические особенности работы достигаются за счёт внедрения цепи обратной связи ёмкостного или индуктивного типа (для смещения фазы), оба активных элемента по очереди управляют друг другом.

Большего размаха колебаний достигают, используя составные транзисторы: последовательно включённые по определённой схеме. На рисунке представлена схема, где RC-цепочка с заданной постоянной времени управляет парой транзисторов, формируя импульсы заданной частоты. Это типичный электронный трансформатор на 12 В для галогенных (газоразрядных) лампочек. Выпускаются номиналы 6 и 24 В, питаемые от промышленной сети 110 или 220 В. Принцип действия представленной схемы:

1. Входное напряжение 220 В выпрямляется диодным мостом, производя заряд конденсатора. Эта входная цепочка задаёт частоту переключения диака. Ставя подстроечный конденсатор, возможно добиться эффекта диммирования лампочек.
2. Диак открывается и заряжает RC-цепочку второго транзистора, провоцируя начало колебаний.
3. Диод не даёт напряжению упасть окончательно, чтобы транзистор Т2 закрылся в конце периода.
4. На точке насыщения сердечника дросселя обратной связи транзистор выключается.

Верхняя частота переключений ограничивается только конструкцией сердечника импульсного трансформатора и переходными характеристиками транзисторов. Типичная частота переключений составляет 35 кГц. Скважность импульсов задаётся RC-цепочками на базах транзисторов. На второй схеме представлен вариант реализации защиты от короткого замыкания. Неисправные галогенные лампочки, потребляющие слишком большой ток, становятся причиной перегрева транзисторов и выхода из строя. Полупроводниковые p-n-переходы необратимо теряют свойства.

При слишком высоком потреблении включается транзистор цепи защиты, RC элементы которой задерживают срабатывание транзистора Т1. Ситуация наблюдается при розжиге дуги. Холодный катод обнаруживает малое сопротивление и легко пропускает ток. По мере прогрева металлического электрода ток снижается, и транзисторы трансформатора выходят на нормальный режим. Этим продлевается срок службы изделия. По истечении времени задержки (задаётся через Rs и Cs) устройство пробует запуститься снова, и если ток не превышает заданного значения, схема входит в нормальный режим.

Требования к транзисторам

Из-за высокого рабочего напряжения и требований к низкой стоимости транзисторы выбираются биполярные. Чтобы снизить показатели, используется полумостовая схема включения. Пиковое напряжение составляет 350 В, а при выключении входного фильтра, энергия, запасённая дросселем, выдаёт импульс амплитудой до 500 В.

Особенность полумостовой схемы: напряжение делится между двумя транзисторами. Следовательно, максимальный рабочий ток находится через выходную мощность. Для прибора на 50 Вт составит 0,64 А. Как сказано выше, при первом включении лампочек это значение порой существенно превышено (до 10 раз от номинального значения). Следовательно, через транзисторы кратковременно может течь ток до 6,5 А.

Из указанных соображений рекомендуется для электронного трансформатора мощностью 50 Вт выбирать транзисторы с максимально допустимым напряжением от 450 В и выше при токе до 7 А. О частоте сказано выше. Она зависит от параметров импульсного трансформатора и определяется постоянной времени заряда RC-цепочки. Типичное значение – 35 кГц. Слишком медленные транзисторы способны привести к срыву частоты и вводу сердечника импульсного трансформатора в режим насыщения в конце каждого цикла. Запасённая энергия будет возвращена на коллекторы в виде пика значительной высоты, что гипотетически приведёт к выходу изделия из строя.