Ток подмагничивания дросселя: Влияние тока подмагничивания на индуктивность трансформатора SE усилителя

Содержание

Дроссель и его параметры | HomeElectronics

Что такое электрический дроссель?

Дросселем, в общем случае, называют катушку индуктивности, чаще всего с сердечником, которая служит для устранения или уменьшения переменного (импульсного) тока, разделения или ограничения сигналов различной частоты. Исходя из этого, дроссели условно можно разделить на следующие типы:

сглаживающие дроссели, предназначены для ослабления переменной составляющей постоянного тока или напряжения различной частоты, то есть сглаживания пульсаций, на выходе и входе силовых преобразователей или выпрямителей;

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

дроссели переменного тока, предназначены для ограничения электрического тока, при резких изменениях нагрузки, например, при пуске электродвигателей или источников питания;

дроссели насыщения, или управляемые дроссели, предназначенные для регулирования индуктивного сопротивления за счёт изменения тока подмагничивания.

Дроссели, как и любая другая катушка индуктивности, может быть без сердечника, с замкнутым сердечником, с сердечником, имеющим малый зазор и с сердечником, имеющим большой зазор или разомкнутым сердечником. Поэтому в независимости от назначения дросселя его принцип действия основан на электромагнитных свойствах катушки индуктивности и сердечника, на котором она выполнена.

Принцип работы идеального дросселя

Дроссель, как и любой другой элемент электрической цепи, содержит ряд параметров, которые определяются его физическими и конструктивными характеристиками. В зависимости от назначения дросселя одни его характеристики стараются улучшить, а значение других уменьшить. Но, несмотря на характер работы дросселя, его основным параметром является индуктивность, поэтому рассмотрим дроссель, содержащий только один параметр – индуктивность, такой дроссель называется идеальным и он характеризуется следующими допущениями:

— обмотка дросселя не имеет активного сопротивления;

— отсутствует межвитковая ёмкость проводников дросселя;

— магнитное поле в сердечнике однородно, то есть значение индукции и напряженности в различных его точках имеет одинаковое значение.

С учётом таких допущений, представим сердечник, на который намотана катушка.


Идеальный дроссель.

Подадим на катушку переменное напряжение U, в результате по катушке потечёт переменный ток I, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Φ. Тогда в соответствии с законом самоиндукции в витках обмотки возникнет ЭДС самоиндукции Е. Так как у нас отсутствует активное сопротивление обмотки идеального дросселя, то ЭДС самоиндукции уравновесит напряжение, вызвавшее электрический ток

В тоже время индуктивность, как коэффициент самоиндукции можно определить по следующему выражению

где ω – количество витков катушки,

S – площадь поперечного сечения сердечника,

B – магнитная индукция,

I – величина электрического тока.

Тогда выражение для ЭДС самоиндукции будет иметь вид

Данное выражение показывает, что ЭДС самоиндукции зависит от конструкции и размеров дросселя, а также от скорости изменения магнитного поля (dB/dt).

Так как в идеальном дросселе отсутствуют активные нагрузки, а только индуктивная составляющая, то активная мощность будет равняться нулю. В индуктивном элементе расходуется только реактивная мощность на создание магнитного поля.

Принцип работы реального дросселя

В реальном дросселе, в отличие от идеального, кроме индуктивности имеется ещё рад параметров, вносящих активную составляющею мощности. Рассмотрим реальный дроссель


Магнитные силовые линии реальной катушки.

Поступающий в дроссель переменный ток возбуждает вокруг катушки переменное магнитное поле, определяемое магнитным потоком Φ. В идеальном дросселе он полностью замыкается через сердечник Φ0, но в реальности к нему добавляется магнитный поток рассеяния, охватывающий как витки по отдельности, так и группы витков провода. Он зависит от расположения витков, сечения провода, плотности укладки витков провода и так далее. Поток рассеивания достаточно трудно выразить количественно, поэтому для его характеристики вводят понятие потокосцепление рассеяния ΨS, который можно выразить через индуктивность рассеяния LS обмоток дросселя

В соответствии с законом электромагнитной индукции, поток рассеяния возбуждает ЭДС рассеяния

Поток рассеяния в дросселе негативно влияет на работу устройств, так как вызывает паразитные шумы, наводки и потери мощности в целом.

Кроме потерь реактивной мощности потоками рассеяния, в реальном дросселе происходят потери активной мощности в сопротивлении витков обмотки и потерях в сердечнике, обусловленных его ферромагнитными свойствами.

Эквивалентная схема дросселя

Для анализа работы реального дросселя создадим схему замещения, которая учитывает его основные и паразитные параметры.


Эквивалентная схема дросселя с учётом паразитных параметров.

Таким образом, на характеристики дросселя кроме собственной индуктивности дросселя L, являющейся основным параметром, так сказать полезным, присутствует паразитная индуктивность LS, обусловленная потоком рассеяния, активное сопротивление R обмоточного провода, межвитковая ёмкость С обмотки дросселя, а также проводимости gμ. Проводимость gμ характеризует мощность, которая затрачивается на перемагничивание сердечника, из-за наличие петли гистерезиса.

Уравнение соответствующее эквивалентной схеме будет иметь вид

Как видно на схеме ток в дросселе состоит из двух составляющих: Iμ – ток отвечающий за создание основного магнитного потока Φ0 и Iа – ток, учитывающий потери мощности при перемагничивании и нагрев сердечника

где РС – мощность потерь в сердечнике.

Основной параметр дросселя – индуктивность L определяется по выражениям для индуктивностей различных типов, например, индуктивность без сердечника, индуктивности на замкнутых сердечниках, индуктивности на сердечниках с зазором и индуктивности на разомкнутых сердечниках.

Остальные параметры определить несколько сложнее. Рассмотрим определение данных параметров.

Как рассчитать межвитковую ёмкость обмотки дросселя?

В дросселе, между витками, слоями и металлическими предметами вокруг дросселя существует некоторая разность потенциалов, создающих электрическое поле. Для оценки влияния данного поля вводят понятие межвитковой ёмкости или собственной ёмкости дросселя, величина которой зависит от размеров и конструктивных особенностей дросселя.

Межвитковая ёмкость C обмотки, являясь паразитным параметром, совместно с индуктивностью рассеивания и собственной индуктивностью дросселя образуют различные виды фильтров и колебательных контуров. Хотя данный параметр имеет небольшое значение, тем не менее, в определённых условиях его приходится учитывать, однако точный расчёт затруднён в связи с большим влиянием различных конструктивных параметров, в первую очередь, взаимного расположения витков провода между собой. Так наибольшей межвитковой ёмкостью обладают катушки намотанные «внавал», а наименьшей – катушки с намоткой типа «Универсаль» или секционные катушки.

Межвитковую емкость Собщ дросселя можно представить в виде суммы емкостей между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом С1 и межслоевой емкости внутри обмотки С2

Ёмкость между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом можно определить из эмпирической формулы

где εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды вокруг проводника, εа = ε0εr,

εr – относительная диэлектрическая проницаемость,

ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,85 * 10-12 Ф/м,

r – радиус поперечного сечения провода,

а – расстояние между магнитопроводом и осью провода,

n – число витков в слое,

р1 – периметр витка внутреннего слоя обмотки.

Относительная диэлектрическая проницаемость берётся для материала каркаса дросселя, если бескаркасное исполнение, то соответственно проницаемость воздуха либо изоляции проводника, в зависимости от необходимой точности.

Емкость между слоя обмотки так же вычисляется по эмпирической формуле

где рср – периметр среднего витка обмотки,

b – расстояние между осями витков в соседних слоях,

m – число слоёв.

В данном случае диэлектрическая проницаемость берётся для материала межслоевой изоляции.

Во всех случаях необходимо добиваться уменьшения межвитковой ёмкости обмотки. Для этого применяют различные виды намоток и материалов для каркасов и межслоевой изоляции с малым значением диэлектрической проницаемости.

Как рассчитать индуктивность рассеяния дросселя?

Индуктивность рассеяния LS, также как и межвитковая ёмкость, является паразитным параметром и негативно влияет на индуктивные элементы, в частности на дроссель. Индуктивность рассеяния вместе с межвитковой емкостью образуют фильтр нижних частот, вызывающий уменьшение амплитуды переменного напряжения и тока на высоких частотах. Данное обстоятельство приводит к тому, что увеличиваются активные потери мощности и происходит нагрев дросселя.

Индуктивность рассеяния зависит от типа конструкции дросселя и его размеров и может быть определена по следующему выражению

где μ0 – относительная магнитная проницаемость, μ0 = 4π*10-8,

рср – периметр среднего витка обмотки,

w – количество витков провода в дросселе,

l – длина намотки,

h – толщина намотки.

В большинстве случаев необходимо добиваться уменьшения индуктивности рассеяния, для чего стараются как можно плотнее уложить провод в намотке, уменьшения количества слоёв обмотки дросселя и увеличения длины намотки. В идеале стремятся использовать однослойные обмотки, если это возможно.

Стоит отметить, что приведённые выражения для определения паразитных параметров межвитковой ёмкости С и индуктивности рассеяния LS являются ориентировочными и могут в различных случаях давать погрешность порядка 20 %. Поэтому при необходимости знать точное значение их определяют экспериментальным путём различными способами.

На сегодня всё, а в следующей статье я расскажу о потерях мощности и нагреве дросселей при работе.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Дроссель переменного тока и его расчёт

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал о дросселях сглаживающих фильтров и изложил принцип их расчёта. Однако такие типы дросселей в бытовой технике применяются не очень часто, так как в маломощных устройствах зачастую эффективнее использовать ёмкостные фильтры. Наиболее часто в электронных устройствах применяют другой вид дросселей – дроссели переменного тока. Об их особенностях, принципах работы и расчёте параметров таких дросселей пойдёт речь в этой статье.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Особенности работы дросселя переменного тока

Дроссель переменного тока, так же как и любой другой дроссель представляет собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. Данный тип дросселя включается последовательно с нагрузкой, аналогично сглаживающему дросселю, но в отличие от него, протекающий ток через дроссель переменного тока не имеет постоянного тока подмагничивания. В связи с этим дроссель переменного тока широко применяется в балластных и токоограничительных цепях, мощных антенных и фильтрующих устройствах, а так же в различных импульсных преобразователях напряжения.

В независимости от применения дросселя в схеме его работа основана на зависимости его реактивного сопротивления XL от частоты f протекающего через него тока IH и падении напряжения на дросселе UL


Дроссель переменного тока.

Таким образом, величина напряжения на дросселе UL определяется индуктивностью дросселя L и параметрами тока, протекающего через дроссель: частота тока f и значение тока в цепи IH.

Влияние немагнитного зазора на дроссель

В предыдущих статьях я рассказывал о негативном влиянии насыщения сердечника на снижение магнитной проницаемости μe и индуктивности дросселя L, которые приводят к искажению формы тока протекающего через дроссель.


Форма тока, протекающего через дроссель: для ненасыщенного сердечника (1) и для насыщенного сердечника (2).

На данном рисунке изображено искажение формы тока синусоидального напряжения при работе дросселя на насыщенном и ненасыщенном участке кривой намагничивания. Степень искажения формы напряжения зависит также от отношения реактивного сопротивления дросселя к активному сопротивлению нагрузки XL/RH. То есть при насыщении сердечника, чем меньше данное соотношение, тем меньше степень искажения формы напряжения. Таким образом, введение немагнитного зазора кроме стабилизации величины индуктивности, в широких пределах изменения тока, позволяет пропустить через дроссель переменный ток без значительных изменений.

Кроме вышеописанных факторов, введение немагнитного зазора приводит к некоторым особенностям, которые необходимо учитывать при разработке и изготовлении дросселей с зазором. Основной особенностью является уширение магнитного потока в зазоре.


Уширение магнитного потока в немагнитном зазоре дросселя: стержень дросселя (слева) и его поперечное сечение (справа). Пунктиром обозначены размеры увеличенного сечения вследствие выпучивания магнитного потока.

Данное явление связанно с тем, что в дросселе с зазором магнитный поток выходит за пределы пространства, находящегося между двух концов разрезанного сердечника, поэтому площадь поперечного сечения в немагнитном зазоре как бы увеличивается.

Размеры уширения сечения зависит от длины обмотки дросселя lоб, площади сечения сердечника Se и длины немагнитного зазора lз. Уширение магнитного потока уменьшает магнитное сопротивление цепи и, следовательно, увеличивает индуктивность дросселя. Для учёта уширения магнитного потока и увеличения индуктивности вводится коэффициент выпучивания F, учитывающий уширение магнитного потока в немагнитном зазоре. Поэтому значение индуктивности дросселя будет определятся следующим выражением

где ω – количество витков провода в обмотке,

μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π*10-7 Гн/м,

μе – эквивалентная (относительная) магнитная проницаемость сердечника,

Sе – эквивалентная площадь поперечного сечения сердечника,

lе – эквивалентная длина магнитной линии сердечника.

lM – длина магнитной линии в сердечнике.

F – коэффициент, учитывающий уширение магнитного потока в зазоре.

Принципы расчёта дросселей переменного тока

Расчёт дросселя переменного тока ведётся аналогично расчёту сглаживающего дросселя, но с учётом начальных условий. Так для дросселя переменного тока определяющими параметрами являются: требуемая индуктивность L, приложенное напряжение UL, частота переменного тока f, перегрев дросселя. Кроме этого необходимо определиться с материалом сердечника дросселя, который определят индукцию насыщения BS и максимальную индукцию в сердечнике Bm, которая для предотвращения насыщения сердечника выбирается из условия

В основе расчётов дросселя переменного тока лежит выражения для определения величина действующего напряжения падающего на дросселе UL

где f – частота переменного тока,

L – индуктивность дросселя,

I – действующее значение тока дросселя.

Тогда с учетом выражения для индуктивности дросселя с замкнутым сердечником и выражения для максимальной индукции в сердечнике напряжение на дросселе будет зависеть от следующих параметров

где μе – эквивалентная магнитная проницаемость сердечника,

μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π•10-7 Гн/м,

ω – количество витков обмотки дросселя,

Se – эквивалентное сечение сердечника дросселя,

le – эквивалентная длина магнитного пути сердечника дросселя,

Bm – максимальное значение магнитной индукции сердечника,

ka – коэффициент амплитуды тока (напряжения) дросселя.

Получившееся выражение довольно часто можно встретить под названием основной формулы трансформаторной ЭДС, так как оно устанавливает однозначное соотношение, между ЭДС на зажимах обмотки и числом витков обмотки, при заданной величине магнитной индукции в сердечнике. Тогда при синусоидальном напряжении (коэффициент амплитуды ka ≈ 1,414) выражение принимает следующий вид

Вернёмся к исходному выражению для напряжения на дросселе UL, в котором неоднозначным является параметр – количество витков. Данный параметр кроме всего прочего (величины индуктивности L и магнитной проницаемости μе сердечника) зависит от размеров магнитопровода, а конкретнее от площади окна SO, которое можно вычислить по следующему выражению

где I – действующее значение тока дросселя,

ω – количество витков обмотки дросселя,

kИ – коэффициент использования окна сердечника,

j – плотность тока в проводе обмотки.

Параметры kИ и j выбирают аналогично, как и для дросселя сглаживающего фильтра, то есть коэффициент использования окна сердечника kИ ≈ 0,3, а плотность тока j = 5 А/мм2.

Тогда выражая из данного выражения количество витков провода ω, получим

Получившееся выражение определяет основное расчётное выражение для определения типоразмера сердечника – произведение площадей сердечника SeSO. После преобразования выражения для действующего напряжения на дросселе UL определяем количество витков обмотки ω и величину немагнитного зазора δ

где μе – эквивалентная магнитная проницаемость сердечника,

μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π•10-7 Гн/м,

Se – эквивалентное сечение сердечника дросселя,

le – эквивалентная длина магнитного пути сердечника дросселя,

Bm – максимальное значение магнитной индукции сердечника,

ka – коэффициент амплитуды тока (напряжения) дросселя.

Вычисленное количество витков является ориентировочным, так как из-за уширения магнитного потока значение индуктивности оказывается несколько больше при данном количестве витков, что в некоторых случаях является нежелательным. Поэтому необходимо пересчитать витки с учётом коэффициента уширения магнитного потока F

Осталось выбрать сечение обмоточного провода SП

где SO – площадь окна используемого сердечника,

kИ – коэффициент использования окна сердечника,

ω – количество витков обмотки дросселя.

Выбор сечения провода необходимо производить, округлив полученное значение до ближайшего номинала, при этом необходимо учитывать, что на высоких частотах возрастают потери мощности в проводе. Поэтому при достаточно высокой частоте необходимо использовать обмоточный провод, состоящий из нескольких жил, при этом диаметр жилы выбирают исходя из глубины скин-слоя δ

где f – частота переменного тока, протекающего через дроссель,

δ – толщина скин-слоя,

dп – диаметр жилы в обмоточном проводе.

После конструктивного расчёта сердечника и обмотки необходимо проверить тепловой режим работы дросселя – нагрев и перегрев дросселя.

Расчёт дросселя переменного тока

В качестве примера рассчитаем дроссель переменного тока со следующими исходными данными: индуктивность дросселя L = 20 мкГн, частота переменного тока f = 50 кГц, действующее значение тока дросселя Iд = 5 А, температура перегрева ∆Т = 50 °C. Ток, протекающий через дроссель, имеет форму прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения D = 0,5.

В общем случае расчёт сводится к выбору параметров магнитопровода и обмотки, при этом режим работы дросселя должен отвечать заданным условиям, в данном случае, температуре перегрева ∆Т.

1.Выберем типоразмер сердечника соответствующего произведению площадей SeSO. Для этого необходимо дополнительно определить действующее напряжение на дросселе UL, коэффициент амплитуды тока дросселя ka, коэффициент использования окна сердечника kИ, значение максимальной индукции тока дросселя Bm и плотность тока j.

Так как частота тока достаточно высокая, то в качестве материала магнитопровода выберем феррит марки N87, следовательно, Bm = 0,3. Коэффициент использования окна сердечника и плотность тока выберем соответственно kИ = 0,3 и j = 5 А/мм2.

Таким образом, выберем магнитопровод, состоящий из двух половинок типа E 20/10/6 со следующими параметрами: le = 93мм, Se = 32 мм2, SO = 57 мм2, Ve = 2980 мм3, SeSO = 1824 мм4.


Сердечник, состоящий из двух половинок Е 20/10/6, имеет следующие размеры:

L = 20,4 мм, H = 20,2 мм, B = 5,9 мм, h = 14 мм, l0 = 5,9 мм, l1 = 4,1 мм.

2.Определим предварительное число витков обмотки дросселя без учёта эффекта уширения магнитного потока

Полученный результат округлим до ближайшего целого, таким образом, количество витков примем ω = 15. С учетом этого определим величину немагнитного зазора сердечника δ

В связи с тем, что прокладка для создания немагнитного зазора прокладывается как между центральными кернами, так и между боковыми, то соответственно толщина прокладки необходимо уменьшить вдвое по сравнению с рассчитанным значением. То есть толщина прокладки должна составлять 0,1…0,12 мм.

В связи с наличием немагнитного зазора происходит уширение магнитного потока и как следствие увеличение индуктивности. Для того чтобы индуктивность дросселя L соответствовала заданной, необходимо пересчитать число витков обмотки ω с учётом коэффициента уширения F

Таким образом, количество витков примем равным ω = 14. Для окончательного расчёта параметров дросселя определим сечение провода с учётом плотности тока j = 5 А/мм2.

Как видно сечение провода составляет SП = 1 мм2, данному сечению соответствует провод диаметром dП = 1,12 мм. Так как частота переменного тока дросселя достаточно высокая, то для снижения потерь мощности вследствие скин-эффекта необходимо использовать литцендрат – провод состоящий из нескольких жил. Диаметр жилы dЖ не должен превышать удвоенной толщины скин-слоя ∆

В связи с этим для обмотки можно использовать провод, скрученный из 9 жил диаметром 0,38 мм, имеющего суммарное сечение SП = 1,02 мм2.

4.Для завершения расчётов необходимо рассчитать температуру перегрева дросселя ∆Т. Для этого необходимо определить потери мощности в обмотке ∆Р1 и в сердечнике ∆Р2, также суммарную площадь охлаждения дросселя.

Определитель насыщения сердечников из феррита или как сделать дроссель для импульсного источника питания

«Делай с нами, делай как мы, делай лучше нас!»



Предлагаю вашему вниманию простой прибор, который поможет рассчитывать и испытывать катушки на ферритах с неизвестными параметрами.

Содержание / Contents

В наше время можно недорого купить микросхемы, позволяющие собирать простые и эффективные импульсные источники питания, например, MC34063 или LM2576. Есть даже программы-калькуляторы, помогающие определить номиналы деталей или можно воспользоваться datasheet. Но возникает одна маленькая проблема — нужно намотать дроссель, который должен обладать определенной индуктивностью и сохранять эту индуктивность при значительном токе подмагничивания — до нескольких Ампер.

К сожалению, ассортимент готовых индуктивностей в магазинах беден и нужные часто недоступны. В то же время можно купить ферритовые сердечники или взять их, например, из раскуроченных электронных балластов для люминесцентных или галогеновых ламп.

Определить индуктивность можно без специальных приборов с помощью компьютера и программного пакета Arta Software, о чем я писал в прошлых публикациях (LIMP — программный измеритель RCL).

Сложнее определить, войдет сердечник в насыщение (и нарушится нормальная работа блока питания) или нет. Многолетний редактор журнала «Радио» и автор множества статей по тематике импульсных преобразователей Сергей Алексеевич Бирюков написал статью «Дроссели для импульсных источников питания на ферритовых кольцах». В ней есть практическая схема, позволяющая увидеть и измерить ток насыщения на экране осциллографа.


В статье множество формул и таблиц, я же постараюсь объяснить всё ненаучно, на пальцах.

Для того чтобы сделать дроссель надо рассчитать или взять из datasheet нужную индуктивность. Берем сердечник, на котором будем наматывать катушку и мотаем несколько десятков витков удобным проводом, например, 0,3 мм. Измеряем индуктивность, затем рассчитываем, сколько надо витков для будущего дросселя. Для этого вспоминаем, что индуктивность прямо пропорциональна квадрату числа витков. Если намотано 30 витков и индуктивность 20 мкГн, то чтобы получить 180 мкГн, надо намотать 90 витков.

Теперь вспомним что такое Ампер-витки. Это произведение числа витков на протекающий ток. Сердечник одинаково намагнитят 200 витков при токе 1 А или 1 виток при токе 200 А, или 50 витков при токе 4 А. Значит, если мы узнаем, при каком токе насытится сердечник от нашей пробной катушечки в 30 витков, мы легко узнаем какой ток выдержит наш дроссель с рабочей катушкой в 90 витков.

Надо только не забывать, что индуктивность лучше делать немного бОльшей, чем рекомендуется и что при уменьшении числа витков индуктивность падает гораздо быстрее, чем растет допустимый ток. Кроме того, для уменьшения потерь надо использовать толстый провод.
Не исключено, что данный сердечник может не подойти, тогда, если это кольца, можно сложить два-три кольца или взять другой типоразмер или даже включить два дросселя последовательно.


Я собрал измеритель на небольшой плате, детали самые обычные, там, где удобно, ставлю SMD и вам советую. Полевой транзистор — любой с нужной проводимостью на ток от 20 А и выше, с низким сопротивлением канала в открытом состоянии, можно низковольтный. Я поставил IFRP150. Стабилизатор 6 В на микросхеме 78L06. Если ее нет, можно ставить 78L05 и добавить 1-2 диода типа КД522 в разрыв общего провода 78L05 анодом к стабилизатору. Емкости С3С4 я поставил по 2200 мкФ на 35 В. Номиналы деталей не критичны. В процессе испытаний я понял, что нужна небольшая доработка схемы. Вместо VD3 VD4 я поставил один стабилитрон Д816В. Для увеличения импульса тока до 12 А между базой и эмиттером VT1 надо поставить резистор с номиналом, как у R5. Эти небольшие изменения позволяют испытать готовые индуктивности в несколько миллигенри. Номинал R4 я уменьшил втрое, что сделало луч на экране более ярким. Сигнал к входу синхронизации осциллографа снимается с вывода 11 микросхемы через резистор 1 кОм.Вместо L1 подключить резистор примерно 1 кОм и проверить прямоугольную форму импульсов на выводе 11 микросхемы, на стоке, проверить регулировку изменения скважности от R3. При исправных деталях наладка не требуется. Если необходимо, можно по вкусу изменить частоту и диапазон регулировки емкостью С2 и резисторами R3R4.
Установить R3 минимальную длительность импульса, плавно увеличивая ее, получить изображение на экране осциллографа. Сначала можно включить непрерывную развертку и внутреннюю синхронизацию, получить нестабильное изображение . Потом, подобрав чувствительность и частоту развертки, включить ждущую развертку и внешнюю синхронизацию, картинка станет как влитая.

На осциллографе с1-94 при чувствительности 0,1 В/дел, одна клетка соответствует току катушки 1 А. Увеличивая длительность импульса, добьемся перелома формы импульса вверх, считываем сколько клеток по оси Y снизу до перелома и определяем ток. Это и будет ток насыщения.

Возможны варианты – перелома не будет, а будет треугольник, который не растет при повороте регулятора R3. Это значит, насыщения нет, надо увеличить число витков катушки. Или форма не треугольная, а сглаженная – велико активное сопротивление катушки.
Если вы проверяете трансформатор, будьте осторожны, на неподключенных обмотках может быть значительное напряжение! И категорически запрещаю проверять так строчные телевизионные трансформаторы или силовые трансформаторы компьютерных блоков питания! Если катушка имеет индуктивность несколько миллигенри, она накапливает значительную энергию, которую поглощает мощный стабилитрон (он за этим и нужен), при этом он сильно разогревается (я это почувствовал по запаху), поэтому измерения таких катушек должны быть непродолжительны (я не

Принцип работы дросселя

Катушка индуктивности, дроссель — принцип работы

Катушка индуктивности – устройство, основным компонентом которого является проводник скрученный в кольца или обвивающий сердечник.

При прохождении тока, вокруг скрученного проводника (катушки), образуется магнитное поле (она может концентрировать переменное магнитное поле), что и используется в радио- и электротехнике.

К точной и компьютерной технике технике больше близок дроссель (Drossel, регулятор, ограничитель), так как он чаще всего применяется в цепях питания процессоров, видеокарт, материнских плат, блоков питания.

В последнее время применяются индукторы закрытые в корпуса из металлического сплава для уменьшения наводок, излучения, шумов и высокочастотного свиста при работе катушки.

Дроссель служит для уменьшения пульсаций напряжения, сглаживания или фильтрации частотной составляющей тока и устранения переменной составляющей тока. Сопротивление дросселя увеличивается с увеличением частоты, а для постоянного тока сопротивление очень мало. Характеристики дросселя получаются от толщины проводника, количества витков, сопротивления проводника, наличия или отсутствия сердечника и материала, из которого сердечник сделан.

Особенно эффективными считаются дроссели с ферритовыми сердечниками (а также из альсифера, карбонильного железа, магнетита) с большой магнитной проницаемостью.

Используется в выпрямителях, сетевых фильтрах, радиотехнике, питающих фазах высокоточной аппаратуры и другой технике требующей стабильного и «правильного» питания. Многослойная катушка может выступать и в качестве простейшего конденсатора, так как имеет собственную ёмкость. Правда, от данного эффекта пытаются больше избавиться, чем его усиливать и он считается паразитным.

Как работает дроссель

В цепях переменного тока, для ограничения тока нагрузки, очень часто применяют дроссели — индуктивные сопротивления. Перед обычными резисторами здесь у дросселей имеется серьезные преимущества — значительная экономия электроэнергии и отсутствие сильного нагрева.

Устройство дросселя

Устроен дроссель очень просто — это катушка из электрического провода, намотанная на сердечнике из ферромагнитного материала. Приставка ферро, говорит о присутствии железа в его составе (феррум — латинское название железа), в том или ином количестве.

Принцип работы дросселя основан на свойстве, присущем не только катушкам но и вообще, любым проводникам — индуктивности.

Это явление легче всего понять, поставив несложный опыт.

Для этого требуется собрать простейшую электрическую цепь, состоящую из низковольтного источника постоянного тока (батарейки), маленькой лампочки накаливания, на соответствующее напряжение и достаточно мощного дросселя (можно взять дроссель от лампы ДРЛ-400 ватт).

Без дросселя схема будет работать как обычно — цепь замыкается, лампа загорается. Но если добавить дроссель, подключив его последовательно нагрузке(лампочке), картина несколько изменится.

Присмотревшись, можно заметить, что, во-первых, лампа загорается не сразу, а с некоторой задержкой, во-вторых — при размыкании цепи возникает хорошо заметная искра, прежде не наблюдавшаяся. Так происходит, потому что в момент включения ток в цепи возрастает не сразу — этому препятствует дроссель, некоторое время поглощая электроэнергию и запасая ее в виде электромагнитного поля.

Эту способность и называют — индуктивностью.

Чем больше величина индуктивности, тем большее количество энергии может запасти дроссель. Еденица величины индуктивности — 1 Генри В момент разрыва цепи запасеная энергия освобождается, причем напряжение при этом может превысить Э.Д.С. используемого источника в десятки раз, а ток направлен в противоположную сторону. Отсюда заметное искрение в месте разрыва. Это явление называется — Э.Д.С. самоиндукции.

Если установить источник переменного тока вместо постоянного, использовав например, понижающий трансформатор, можно обнаружить что та же лампочка, подключенная через дроссель — не горит вовсе. Дроссель оказывает переменному току гораздо большое сопротивление, нежели постояному. Это происходит из за того, что ток в полупериоде, отстает от напряжения.

Получается, что действующее напряжение на нагрузке падает во много раз(и ток соответственно), но энергия при этом не теряется — возвращается за счет самоиндукции обратно в цепь. Сопротивление оказываемое индуктивностью переменному току называется — реактивным. Его значение зависит от величины индуктивности и частоты переменного тока. Величина индуктивности в свою очередь, находится в зависимости от количества витков катушки и свойства материала сердечника, называемого — магнитной проницаемостью, а так же его формы.

Магнитная проницаемость — число, показывающее во сколько раз индуктивность катушки больше с сердечником из данного материала, нежели без него(в идеале — в вакууме.)Т. е — магнитная проницаемость вакуума принята за еденицу.

В радиочастотных катушках малой индуктивности, для точной подстройки применяются сердечники стержеобразной формы. Материалами для них могут являться ферриты с относительно небольшой магнитной проницаемостью, иногда немагнитные материалы с проницаемостью меньше 1.В электромагнитах реле — сердечники подковоообразной и цилиндрической формы из специальных сталей.

Для намотки дросселей и трансформаторов используют замкнутые сердечники — магнитопроводы Ш — образной и тороидальной формы. Материалом на частотах до 1000 гц служит специальная сталь, выше 1000 гц — различные ферросплавы. Магнитопроводы набираются из отдельных пластин, покрытых лаком.

У катушки, намотанной на сердечник, кроме реактивного(Xl) имеется и активное сопротивление(R). Таким образом, полное сопротивление катушки индуктивности равно сумме активной и реактивной составляющих.

Как работает трансформатор

Рассмотрим работу дросселя, собранного на замкнутом магнитопроводе и подключенного в виде нагрузки, к источнику переменного тока. Число витков и магнитная проницаемость сердечника подобраны таким образом, что его реактивное сопротивление велико, ток протекающий в цепи соответственно — нет.

Ток, переодически изменяя свое направление, будет возбуждать в обмотке катушки (назовем ее катушка номер 1) электромагнитное поле, направление которого будет также переодически меняться — перемагничивая сердечник. Если на этот же сердечник поместить дополнительную катушку(назовем ее — номер 2), то под действием переменного электромагнитного поля сердечника, в ней возникнет наведенная переменная Э.Д.С.

Если количество витков обеих катушек совпадает, то значение наведенной Э.Д.С. очень близко к значению напряжения источника питания, поданного на катушку номер 1. Если уменьшить количество витков катушки номер 2 вдвое, то значение наведенной Э.Д.С. уменьшится вдвое, если количество витков наоборот, увеличить — наведенная Э.Д.С. также, возрастет. Получается, что на каждый виток, приходится какая-то определенная часть напряжения.

Обмотку катушки на которую подается напряжение питания (номер 1) называют первичной. а обмотка, с которой трансформированое напряжение снимается — вторичной .

Отношение числа витков вторичной(Np ) и первичной (Ns ) обмоток равно отношению соответствующих им напряжений — Up (напряжение первичной обмотки) и Us (напряжение вторичной обмотки).

Таким образом, устройство, состоящее из замкнутого магнитопровода и двух обмоток в цепи переменного тока, можно использовать для изменения питающего напряжения — трансформации. Соответственно, оно так и называется — трансформатор.

Для чего нужен дроссель

Виды дросселей

Дроссель используется вместо последовательного резистора, потому что обеспечивает лучшую фильтрацию (меньше остаточной пульсации переменного тока на источнике питания, что означает меньшее гудение на выходе усилителя) и меньшее падение напряжения. «Идеальный» индуктор будет иметь нулевое сопротивление постоянному току.

При использовании резистора большего размера, вы быстро достигаете точки, где падение напряжения возрастает до пиковых величин, и, кроме того, «провал» питания становится значительным, потому что разность токов между полной выходной мощностью и холостым ходом может быть немалой, особенно в усилителе класса AB.

Существует две распространенные конфигурации источника питания: конденсаторный вход и дроссельный вход.

Входной фильтр конденсатора не обязательно должен иметь дроссель, но для дополнительной фильтрации тот необходим. Источник питания дросселя по определению обязан оснащаться дросселем.

Источник питания с дросселем

На входе конденсатора будет конденсатор фильтра, следующий непосредственно за выпрямителем. Тогда он может иметь или не иметь второго фильтра, состоящего из последовательного резистора или дросселя, за которым следует другой конденсатор. Сеть «колпачок – индуктор – колпачок» обычно называется сетью «пи-фильтр». Преимущество входного фильтра конденсатора заключается в более высоком выходном напряжении, но он имеет более низкое регулирование напряжения, чем входной фильтр дросселя.

Источник питания дросселя будет иметь дроссель, следующий сразу за выпрямителем. Основное преимущество входного питания дросселя – лучшее регулирование напряжения, но за счет гораздо более низкого выходного напряжения. Входной фильтр дросселя должен иметь определенный минимальный ток, протекающий через него для поддержания регулирования.

Дроссель в собранном приборе

Пример:

Разница напряжений между двумя типами фильтров может быть довольно большой. Например, предположим, что у вас есть трансформатор 300-0-300 и двухполупериодный выпрямитель.

Если вы используете конденсаторный входной фильтр, вы получите максимальное напряжение постоянного тока без нагрузки в 424 вольт, которое снизится до напряжения, зависящего от тока нагрузки и сопротивления вторичных обмоток.

Если вы используете тот же трансформатор с входным фильтром дросселя, пиковое выходное напряжение постоянного тока будет составлять 270 В и будет гораздо более строго регулироваться, чем входной фильтр конденсатора (меньше перемен напряжения питания с изменениями тока нагрузки).

Как обозначается дроссель на схеме

Условные обозначения:

Условное графическое обозначение дросселей

Из чего состоит дроссель

Элементы:

  • катушка;
  • провод, намотанный на сердечник;
  • магнитопровод.

Есть схожесть с трансформатором, но слой обмотки всего один. Такая конструкция помогает стабилизировать сеть, а также исключить шанс резкого скачка напряжения.

Как подключить дроссель

Схема подключения очень простая и представляет собой цепь последовательно соединённого дросселя и самого устройства ДРЛ 250. Подключение идёт через сеть 220 вольт и работает при обычной частоте. Поэтому их без труда можно поставить в домашнюю сеть. Дроссель работает как стабилизатор и корректировщик напряжения.

Схема подключения дросселя

Как отличить резистор от дросселя

По внешнему виду: от резисторов отличаются обычно толщиной (дроссели толще), от конденсаторов – неправильной формой «капельки».

Более точный способ – сопротивление. У дросселя оно почти нулевое.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Синфазные дроссели TDK-EPCOS

Синфазные дроссели — универсальное классическое средство, позволяющее решить задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП) и, соответственно, выполнить требования по электромагнитной совместимости (ЭМС). Эти устройства настолько привычны, что воспринимаются как нечто, не создающее проблем. Но всегда ли синфазный дроссель синфазный? Вот в чем вопрос, но на него есть ответ. И дело здесь в правильном выборе не только дросселя, но и его изготовителя и поставщика.

Когда разработчику радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) срочно приходится решать проблемы электромагнитной совместимости и подавления синфазных, а попутно и дифференциальных помех, он буквально хватается за синфазный дроссель. И это правильно. Казалось бы, тут все просто и понятно, про синфазные дроссели и их применение написано много, да и выбор их богатый, в конце концов, можно и самому сделать прибор, намотав, например, на ферритовое кольцо две проволочки. Однако проблемы, как и дьявол, всегда кроются в деталях. Вот на них-то мы и посмотрим.

В общем представлении синфазный дроссель — это связанная индуктивность, в нем на одном сердечнике намотаны как минимум две катушки (бывает, и три, и четыре). Кстати, для получения синфазного дросселя очень важна стратегия намотки (рис. 1), и это разработчикам РЭА хорошо известно. Для ясности и простоты остановимся на дросселе с двумя обмотками.

Рис. 1. Идеальный синфазный дроссель для дифференциальных токов (слева), синфазных токов (в середине) и его условное обозначение в схемах

Компактное электрическое и электронное оборудование в основном генерирует синфазные помехи. Для того чтобы оно соответствовало требованиям безопасности (не выходя за пределы тока утечки), необходимо использовать дроссели с высоким значением асимметричной эффективной индуктивности. Для этой цели оптимальны дроссели с компенсацией тока с топологией с закрытым сердечником. Проблема насыщения сердечника за счет полезного тока в этих конструкциях решается выбором материала сердечника, но самое главное — намоткой двух катушек с равным числом витков на сердечнике. Катушки связаны таким образом, что магнитный поток, индуцированный верхней катушкой, компенсируется нижней катушкой.

Для подобного идеального дросселя магнитный поток в сердечнике обусловлен тем, что токи дифференциального режима iDM (рис. 1, слева) компенсируют друг друга, что приводит к нулевому сопротивлению (точнее, импедансу) дросселя. Но магнитные потоки Φ1 и Φ2, вызванные синфазными токами iCM (рис. 1, в середине), суммируются, что значительно увеличивает полное сопротивление (импеданс). Для получения такого прекрасного со всех точек зрения эффекта важно правильно выполнить обмотки, поэтому в условном обозначении дросселя данного типа (рис. 1, справа) используется две точки, чтобы указать, как должны быть выполнены обмотки.

Подводя итог, отметим, что синфазный дроссель выглядит как простой проводник для дифференциальных сигналов и как индуктивность для синфазных сигналов. Одно из преимуществ этих видов дросселей заключается в том, что они не будут насыщаться токами дифференциального режима. Для этих связанных индуктивностей коэффициент связи k может быть рассчитан по формуле:

k = M/√(L1×L2), (1)

здесь M — коэффициент взаимной индуктивности, а L1, L2 — индуктивности для обеих обмоток.

Значения индуктивностей для синфазного и дифференциального режима могут быть получены по формулам:

LDM = 2×(L-M) и LCM = (L+M)/2 (2)

Учитывая, что индуктивности L1 и L2 равны L и для 100%-ной идеальной связи k = 1, взаимная индуктивность M из формулы (1) получается равной индуктивности L (M = L), а индуктивности дросселя для синфазного и дифференциального режимов, как следует из формул (2), соответственно равны LDM = 0 и LCM = L.

Таким образом, подтверждается, что мы не обнаружим наличие импеданса для сигналов дифференциального режима, но будем иметь некоторое, определяемое индуктивность LCM значение импеданса для сигналов синфазного режима.

На практике взаимная компенсация магнитного потока в дифференциальном режиме не идеальна, этот факт разработчикам РЭА хорошо известен и широко используется. В дифференциальном режиме импеданс не равен нулю, он определяется такой характеристикой, как индуктивность рассеяния, и полезен для фильтрации сигналов дифференциального режима. Однако нельзя забывать и том, что в приложениях с высоким током необходимо убедиться в отсутствии эффекта насыщения сердечника дросселя.

Обратимся к наглядному и поучительному примеру. Столкнулись с крайне неприятной ситуацией, когда устройство, проверенное им на прототипе в лаборатории, провалилось на сертификационных испытаниях. Причем все элементы и компоновка были те же, что и в прототипе. Чтобы проанализировать и понять ситуацию, измерили реакцию синфазных дросселей прототипа (условно названного CHKA) и заявленного на сертификацию изделия (условно названного CHKB) с помощью векторного анализатора цепей Bode 100. Упрощенное измерение синфазного дросселя было выполнено, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Упрощенное измерение импедансов для синфазного дросселя

Результаты измерения дросселя, который удовлетворительно работал в приложении (CHKA), представлены на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики дросселя CHKA

На рис. 3 можно увидеть, насколько велико различие импедансов синфазного режима по сравнению с дифференциальным. На втором дросселе (CHKB), снятом с изделия, на котором провалились испытания в сертификационной лаборатории, смог заметить очень тонкое отличие — на одной из катушек дросселя отсутствовал один виток (рис. 4).

Рис. 4. Дроссели, используемые в качестве примера 

У дросселя CHKA было 14 витков для L1 и L2, а у дросселя CHKB — 14 витков для L1 и 13 витков для L2. Это оказалось весьма существенной разницей. Если одна из катушек отличается от другой, то индуктивность для синфазного сигнала будет уменьшена (соответственно, плохая фильтрация синфазной ЭМП), а дифференциальная индуктивность увеличена. Когда речь идет о линиях передачи, это может привести к проблемам с целостностью сигналов (англ. Signal Integrity — наличие достаточных для безошибочной передачи качественных характеристик электрического сигнала), или если речь идет о цепях питания, то в приложениях с большим током сердечник, вероятно, может быть насыщен даже номинальным рабочим током.

Данный тип дросселей наматывается вручную, так что человеческие ошибки и/или некачественные проверки конечного продукта могут создать проблему, которую трудно будет сразу обнаружить и которая способна проявиться совершенно неожиданно.

Из приведенного примера ясно видно, насколько важна идеальная симметрия для двух катушек в дросселе. Даже в случае, когда в одной из катушек отсутствует лишь один виток, импеданс синфазного дросселя для синфазного режима резко уменьшается. Если говорить в целом, то несимметричность может быть вызвана не только пропуском полного витка, как в приведенном примере, но и просто нарушениями геометрии намотки. К сожалению, нередко этого нарушения шага намотки (не забываем, что в формулу для расчета индуктивности входит величина, обратная длине обмотки, так что при равных условиях неплотно намотанная катушка будет иметь меньшую индуктивность) или пропуска части витка при терминации просто не замечают. Вот почему для ответственных применений, особенно это касается высокочастотных приложений, не рекомендуется их самостоятельное, часто полукустарное, изготовление.

Результатом нарушения неидеальности исполнения синфазного дросселя будет низкая эффективность фильтрации синфазных сигналов ЭМП в области высоких частот — для чего, собственно, эти дроссели и используются. Таким же образом индуктивность в дифференциальном режиме увеличивается с типичным эффектом насыщения сердечника или нарушениями целостности сигнала из-за снижения частоты среза фильтра, образованного индуктивностью рассеяния и, в зависимости от включения дросселя, входной или выходной емкостью.

Отсюда следует вывод: будьте осторожны с недорогими и, как правило, не гарантирующими должного качества компонентами. Это касается не только идеальности намотки, но и материалов, из которых они изготовлены, поскольку последние влияют на точность соблюдения индуктивности и ток насыщения.

В качестве выхода из ситуации можно предложить использовать для критических приложений синфазные дроссели от поставщиков, имеющих надежную репутацию на рынке. (В противном случае, как известно, скупой заплатит дважды.) Одним из таких поставщиков является TDK Corporation — японская компания, занимающаяся производством электронных компонентов и носителей информации.Позиции компании по выпуску элементов из ферритовых материалов значительно усилились в 2008 году после приобретения 90% акций еще одной известной компании EPCOS AG (Electronic Parts and Components) — европейского лидера по производству пассивных электронных компонентов. Объединение таких брендов и их технологий позволило вывести на рынок изделия в качестве, надежности и технических характеристиках которых можно не сомневаться, в том числе синфазных дросселей, специально разработанных для подавления ЭМП и решения вопросов ЭМС.

Как уже было сказано, синфазные дроссели помогают решить две важные проблемы по ЭМС. Первая — очистить цепи питания от ЭМП, то есть уменьшить их излучение цепями питания и линиями их подключения, а вторая — защитить цепи или линии передачи сигнала от воздействия ЭМП. Эти проблемы очень различаются, соответственно, для их решения требуются разные типы синфазных дросселей. Компания TDK и ее структурное подразделение EPCOS предлагают универсальные решения для обеих проблем. В портфелях предложений компании имеются синфазные дроссели, как говорится, на любой вкус и цвет — от традиционных двух- и трех- до четырехобмоточных проволочных, рассчитанных на средние и большие токи, а также миниатюрные многослойные и тонкопленочные, предназначенные для сигнальных цепей, и сборки из нескольких дросселей, выполненные в одном корпусе.

Примеры конструктивного исполнения синфазных дросселей компании EPCOS для линий питания

Серия B82724J8*N

Серия B82732R

Серия B82732W

Серия B82724B

Серия B82747S6313

Серия B82725S2*

 

 

Синфазные дроссели компании EPCOS для линий питания

Тип

Индуктивность, мГн

Номинальный ток, A

Максимальная рабочая температура, °C

Номинальное рабочее напряжение, В (AC)

Номинальное рабочее напряжение, В (DC)

B82724J8*N

0,5–47

1,6–10

70

250

800

B82732R, B82732W

3,3–100

0,4–2,2

40

250

B82734R, B82734W

3,3–68

0,7–4,6

40,  60

250

B82731H, B82731M

3,3–100

0,35–1,8

40

250

B82731T

3,3–100

0,3–1,8

40

250

B82733F, B82733V

10–100

0,7–2,3

40

300

B82732F

10–100

0,45–1,6

40

250

B82726S3223A340

1,7

25

70

300

550

B82725A

0,56–82

1–16

40,  45,  55,  60

250

B82791G, B82791H, B82791K

4,7–47

0,25–0,9

40,  60

250

B82721A, B82721J, B82721K

0,2–47

0,3–6

40,  50,  60,  70

250

B82726S22*3

0,75, 1,6

20, 24

60

250

B82720S

1,1–22

0,3–2

40

250

B82726S3543

0,19

54

75

300

700

B82726S61*3

2,2, 3,3

10, 12

85

250

750

B82720A, B82720K

1,1–22

0,3–2

40

250

B82724B

1,8–100

0,5–6

40,  50,  60

250

B82722A, B82722J

1,2–68

0,3–3

40,  60

250

B82726S2183

1,3

18

50

250

B82724A, B82724J

1–82

0,5–6

40,  45,  50,  60,  70

250

B82723A, B82723J

0,45–56

0,5–8

40,  60,  70

250

B82726S2163

1,4, 2,2

16

60

250

B82725S2*

1,4–7,8

6–13

60,  70

250

B82725J

1,8–68

1–10

60

250

B8272xE6

0,42–3,3

20–50

70

600

1000

B82724J2*U

0,5–6,8

4,3–10

70,  80

250

B82721K2*U*

0,4–47

0,4–2,8

70

250

B82767S4

0,43–1,45

12–26

70

500/300

B82748F4183

1,5

18

40

480/275

B82748F6233

1,5

23

40

690/400

B82748S6623

1,1

62

40

690/400

B82745S6123

0,35

12

85

440/250

B82746S4103A02*

1,7, 2

10

70

500/300,  520/300

B82747S4203A

1,3

20

60

520/300

B82747S4183

1,8

18

70

440/250

B82747S6313

0,95

31

70

440/250

B82747S4423

1,5

42

50

440/250

B82748S4503

0,8

50

60

520/300

B82746S

3,2, 6,2

8, 13

70

550/320

B82746S4

0,75, 1,15

20

70

500/300

B82747S4

0,82, 0,85

30, 35

70

500/300

B82747E6

0,57–2,2

16–35

70

600/350

B82730G, B82730U

0,33–15

0,4–2,6

40

300

B82614R

0,5–3

0,8–2,7

40

250

B82623G

0,033–1,2

0,3–3

60

250

350

B82625B

0,25–5

1–5

40

250

350

B82622S

0,0021

30

85

B82615B

0,7–20

1–6

40

250

350

Купить синфазные дроссели можно в каталоге на сайте. 

Особенности применения порошковых Е-образных сердечников Magnetics в сварочном оборудовании

Автор: Васильева К.Л.

В статье анализируются перспективы применения сердечников из порошковых материалов конфигурации Е с распределенным зазором в источниках питания сварочных инверторов и др. устройств. Рассмотрена методика расчета типовых дросселей, изготовленных из сердечников на основе пермаллоев Magnetics.

Как известно, практически ни один силовой модуль не обходится без моточных изделий. В поисках решений для повышения надежности, уменьшения габаритных размеров и улучшения характеристик разрабатываемого оборудования независимо от его назначения ведущие инженеры и конструкторы компаний-лидеров силовой и радиоэлектроники всегда уделяли особое внимание выбору материалов.

Так, например, при проектировании дросселей и трансформаторов современных устройств подавления помех, сварочных инверторов, а также радиоэлектронных устройств, работающих в диапазоне высоких частот, особый интерес представляют магнитодиэлектрики (пермаллои, распыленное железо и др.). Эти материалы получают прессованием порошка ферромагнитного материала и связующего. Готовая смесь формуется и подвергается термообработке при высоких температурах, сопровождающейся спеканием частиц порошка. Фазовый состав ферромагнитной составляющей может быть охарактеризован как:
  • Kool Mμ Magnetics (Fe-Si-Al), ~ 10% Si, ~7% Al. Данный состав материала выпускается другими производителями под названиями Sendust (Сендаст), альсифер
  • карбонильное железо
  • пермаллой (с введением молибдена)
Каждую частицу ферромагнитного материала покрывает пленка из диэлектрика, благодаря которой сердечники не насыщаются, и значения магнитной проницаемости варьируются от нескольких единиц до нескольких десятков [1]. Основные характеристики таких магнитодиэлектриков регулируются размером исходных зерен порошка, введением добавок (Mo, Cr, Mn и др.) в химический состав сплавов и свойствами связующего и выбором температурных режимов, при которых происходит спекание частиц [2]. Особенности получения порошковых материалов позволяют им достичь достаточно высоких значений удельного электрического сопротивления (ρ = 10 ÷ 108 Ом·м), что, в свою очередь, обеспечивает низкие динамические потери энергии в переменных электромагнитных полях.

Среди компаний, ведущих разработку пермаллоев и выпуск магнитопроводов на основе пермаллоев и распыленного железа, можно выделить такие известные зарубежные предприятия как Micrometals, Magnetics, Arnold и др.

Компаниями выпускается широкая номенклатура кольцевых сердечников на основе пермаллоев (MPP, Kool Mμ, HighFlux и др.), поскольку именно тороидальная конструкция позволяет обеспечить высокую устойчивость к внешним воздействиям электромагнитных полей и наименьшую величину индуктивности рассеяния. Тем не менее, некоторые компании уделяют пристальное внимание выпуску сердечников конфигурации E. Ввиду высокой себестоимости многих сплавов интерес представляют магнитопроводы из менее дорогостоящего материала Kool Mμ (альсифер) и распыленного железа (Iron Powder) (рисунок 1), что является недорогой альтернативой пермаллоям.
Рисунок 1 – Е-образные сердечники из материала Kool Mμ (Magnetics) [3]

Так, один из лидеров в области разработки и производства магнитопроводов из пермаллоев, компания Magnetics, выпускает ряд Е-образных сердечников из материала Kool Mμ с проницаемостью 26μ, 40μ, 60μ и 90μ.

Преимуществом Е-образной конструкции магнитопровода является возможность его применения в сварочном оборудовании, например, в источниках сварочного тока инверторного типа (ИИСТ). Как известно, многие современные модели сварочных инверторов оснащены выходными дросселями [4,5]. При этом дроссель может быть как ключевым звеном сварочного аппарата, использующего в процессе сварки электроды, так и найти применение в составе сварочного полуавтомата. Применение в схемах ИИСТ моточных изделий позволяет не только стабилизировать ток, но и сгладить за счет их магнитного поля пульсирующее напряжение. Кроме того, дроссель можно использовать как в самодельных сварочных аппаратах, так и аналогичном оборудовании, изготавливаемом на заводе.

При создании ИИСТ также учитывают, что дроссель, изготовленный на Е-образном сердечнике, имеет немагнитный зазор 0,5 — 1,0 мм, позволяющий избежать насыщения и более эффективно управлять индуктивностью. Как показано на рисунке 1 зазор можно создавать одним из трех способов. Первый метод заключается в формировании воздушного зазора на центральном стержне сердечника конфигурации Е за счет уменьшения его высоты. Зазор можно также создавать одновременно в центральном и боковых кернах магнитопровода. Сердечники с дискретным зазором сохраняют высокую индуктивность вплоть до точки перегиба на кривой, что приводит к резкому насыщению. В этой связи, интерес представляет формирование распределенного зазора в Е-образных магнитопроводах из порошковых материалов, который состоит из большого количества малых воздушных зазоров, появляющихся в результате того, что частицы порошка магнитомягкого материала полностью не спекаются в единый состав. В результате, насыщение достигается плавно, что способствует повышению внутренней устойчивости изделия к выходу из строя. В таких сердечниках сохраняется оптимальное значение Bmax и обеспечивается смещение по постоянному току при высоких температурах [6]. Намотка может осуществляться медным проводом до заполнения каркаса.

Рисунок 2 — Сердечник конфигурации Е: а) Ферритовый сердечник Magnetics материал P с начальной проницаемостью 2500 с дискретным зазором по центральному керну б) Ферритовый сердечник Magnetics из материала P с начальной проницаемостью 2500 с дискретным зазором по центральному и боковым кернам в) сердечник из материала Kool Mμ с распределенным зазором [6]

Поскольку дроссели для ИИСТ, изготовленные на основе порошковых материалов, позволяют повысить не только технологичность готового изделия, уменьшить габаритные размеры и снизить интенсивность полей рассеивания [7], актуальным является сравнить характеристики пермаллоя и распыленного железа, представляющие наибольший интерес для применения в таких схемах.

Сравнительные характеристики некоторых сплавов, таких как пермаллой Kool Mμ (Magnetics) и распыленное железо (Iron Powder) приведены на рисунках 3, 4 и таблице 1.
Материал Kool Мμ® (Magnetics) Порошковое железо
Состав сплава Fe Si Al Fe
Потери тока Низкие Высокие
Начальная магнитная проницаемость 26…12510…100
Температура Кюри, °С 500770
Рабочие температуры, °С -55…200-30…75
Индукция насыщения, Тл 1-1,2…-1,5
Как видно из представленных данных (рисунок 3) основным преимуществом Kool Мμ являются более низкие потери в сравнении с распыленным железом. Сердечники на основе материала Kool Мμ® обладают практически нулевой магнитострикцией и могут эксплуатироваться при температурах вплоть до 500°C, что соответствует температуре Кюри (таблица 1). Кроме того, сплав на основе Al, Si, Fe изготавливается без использования органических вяжущих компонентов, вследствие чего он не подвержен эффекту термического старения.
Рисунок 3 — Зависимость потерь в сердечнике от плотности магнитного потока для порошковых материалов (Kool Мμ® и распыленное железо)
Согласно данным, представленным на рисунке 4, можно отметить сравнительно близкие зависимости магнитной проницаемости материалов Kool Мμ® и распыленного железа от подмагничивания постоянным током. Наряду с подмагничиванием, вызванным постоянной составляющей тока, в дросселях импульсных регуляторов также протекает переменный ток. В диапазоне 10кГц-300кГц переменная составляющая может вызывать потери в сердечнике и его нагрев до температуры выше температуры Кюри. Выбор в качестве материала сердечника пермаллоя Kool Мμ® позволяет снизить влияние переменной составляющей и повысить эффективность работы дросселя.
Рисунок 4 — Зависимость магнитной проницаемости материалов Kool Мμ® (Magnetics) и распыленного железа от подмагничивания постоянным током
Как известно, для большинства моточных изделий характерно создание паразитных излучений, представляющих собой поля рассеивания [8]. В материалах с низким значением магнитной проницаемости этот эффект проявляется таким образом, что измеренная индукция — выше величины, рассчитанной по формуле 1, согласно заданным параметрами сердечника.
где L – индукция, мГн
μ – магнитная проницаемость сердечника
N – число витков
Ae – площадь эффективного сечения, мм²
Ie – длина магнитного пути, мм.

Кроме того, на эффект рассеяния также оказывают влияние количество витков, конструкция дросселя, размер и конфигурация сердечника. Так, например, в случае Е-образного магнитопровода с увеличением длины намотки магнитное рассеяние полей будет проявляться в меньшей степени в отличие от других технических исполнений. При определении необходимого количества витков, размера и конфигурации сердечника в ходе проектирования источников питания и других устройств часто возникает необходимость проведения соответствующих расчетов. Некоторые подходы определения параметров дросселя инверторного сварочного источника подробно описаны в литературе [9, 10].

Многие компании, выпускающие сердечники из порошковых материалов, наряду с технической документацией предлагают пользователям бесплатное программное обеспечение [9]. В качестве примера можно привести бесплатные программы, разработанные компанией Magnetics, позволяющие по известным параметрам осуществлять расчет дросселей источников питания. При определении размеров сердечника и количества витков также может быть использована следующая упрощенная методика [11]:

1)Расчет LI²,
где L — индуктивность при подмагничивании, вызванном постоянной составляющей тока (мГн),
I – постоянный ток (А)
2) Поиск соответствия расчетного значения LI² коду сердечника в таблице 2.
Таблица 2 – Соответствие расчетных данных коду сердечников из материала Kool Мμ® Magnetics [11]
Сердечники конфигурации Е LI²
E5528 50-150
E5530 75-150
E6527 150-350
E8020 300-500
LE114 500-1600
LE114HT26 350-1300
LE130 1150-3500
LE160 1500-4500
3) После определения размера сердечника рассчитывается количество витков в следующей последовательности:
— Определение номинального значения коэффициента индуктивности (AL, нГн/виток²) из данных таблицы 3
— Определение отклонения в меньшую сторону от номинального значения коэффициента индуктивности (-8%) ALmin
— Расчет количества витков по формуле:

где L – минимальная индуктивность, мкГн;
ALmin – минимальное значение коэффициента индуктивности, нГн/виток².
— Расчет силы намагничивания (H) согласно выражению [3]:

где N – число витков;
I – сила тока, А;
Le – длина линии магнитной индукции, см.
— Определение падения μ относительно начальной магнитной проницаемости для рассчитанного подмагничивания постоянным током (рисунок 5).
— Увеличение числа витков путем деления определенного ранее количества витков (формула 2) на долю смещения в меньшую сторону магнитной проницаемости позволит получить величину магнитной индукции, близкой к требуемым значениям. При необходимости расчеты повторяются.
Рисунок 5 — Функциональная зависимость магнитной проницаемости от подмагничивания постоянным током для материала Kool Mμ®[11]

Таким образом, были рассмотрены основные характеристики пермаллоя Kool Мμ® фирмы Magnetics и особенности применения конфигурации Е в инверторных источниках тока сварочных аппаратов. Представлены сопоставительные данные по свойствам порошковых материалов, таких как Kool Мμ® и распыленное железо. Отмечено, что магнитопроводы на основе пермаллоя Kool Мμ® обладают меньшими потерями в сравнении с распыленным железом (Iron Powder). Применение сердечников конфигурации Е с распределенным зазором в выходных дросселях ИИСТ позволяет не только снизить габаритные размеры и повысить надежность готового изделия, но и снизить интенсивность полей рассеивания.

Таблица 3 – Характеристика Е-образных сердечников фирмы Magnetics [11]

Литература
1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. – 10-е изд., перераб. и доп. – – М.: Гардарики, 2002. – 638 с.
2. Мишин Д.Д. Магнитные материалы, Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1991. 384 с.
3. http://www.mag-inc.com/products/powder-cores/kool-mu/large-kool-mu-core-shapes
4. С. Петров. Сварочный инвертор начального уровня: пример разработки/ Силовая Электроника.2010 — №5 – С. 82-89
5. С. Петров. Схемотехника промышленных сварочных инверторов/ Современная электроника. 2007 — №8 – С.42-47.
6. Michael W. Leakage flux considerations on kool mμ “E” cores. Bulletin No. KMC-E2
7.Володин В.Я. Моделирование индуктивностей с порошковыми сердечниками при помощи симулятора LTspice. Журнал Силовая электроника — 2010 г. — №2. — С.84-90.
8. В.В. Шкоркин, Ю.М. Казанцев. Cнижение помехоэмиссии силовых дросселей тороидальной конструкции/ Известия Томского политехнического университета. 2010. — Т. 316. № 4. – C.107-110.
9. Володин В.Я. Бесплатные версии программ расчета дросселя с порошковым сердечником/Силовая электроника. 2010 — №3. – С.92-99.
10. Володин В.Я. Инверторный источник сварочного тока. Опыт ремонта и расчёт электромагнитных элементов. Журнал Радио №8, 9, 10 за 2003 год.
11. http://www.mag-inc.com/products/powder-cores/kool-mu/large-kool-mu-core-shapes

 

Ампер клапана: Блок питания

Основные принципы источников питания описаны в главе, посвященной усилителям. Эта страница предполагает, что основы уже известны, и посвящена только источникам питания для ламповых усилителей.

Большинство ламповых усилителей построено на корпусе с поддоном. Выходной транзистор поворачивается на 90 градусов, чтобы избежать захвата внешнего магнитного поля переменного тока, излучаемого сердечником I E силового транзистора. Часть переменного магнитного поля от силовой трансмиссии EI индуцируется в шасси, вызывая вихревые токи.Корпус Вихревые токи являются основной причиной проблем с помехами при заземлении сигналов.

Эту проблему вихревых токов, индуцированных шумом, можно решить, разместив усилитель и источник питания на отдельных шасси. Такое решение сделало бы усилитель более дорогим, включая неудобства для пользователя. Современные ламповые усилители не могут оправдать отказ от использования С сердечника или тороидальных транзисторов.

Моноблок. Если нужно сделать выбор, чтобы иметь 2 моноблока (2 отдельных моно ламповых усилителя для стереосистемы) или стереоусилитель на одном шасси и источник питания на отдельном шасси.Блок питания на отдельном шасси решает проблему внешнего магнитного поля силовой трансмиссии, загрязняющего электронику ламповых усилителей, тогда как моноблок — нет.

Выпрямитель. На рисунке выше большой клапан в правом конце корпуса — это выпрямитель, который преобразует переменный ток из силовой линии в постоянный. Два основных ограничивающих фактора ранних усилителей Valve до появления твердотельной технологии — это вентильный выпрямитель и небольшие электролитические конденсаторы.Когда в 1960 году стали доступны кремниевые диоды, их использовали почти все производители ламповых усилителей. Кроме того, всякий раз, когда ламповый усилитель нуждался в обслуживании, вентильный выпрямитель часто заменяли кремниевыми диодами. Клапан выпрямителя был оставлен на месте (внешний вид) с отсоединенной нитью нагревателя. Нить накала нагревателя потребляла от 10 до 15 Вт. Отсоединение клапана выпрямителя позволило силовой трансмиссии охладиться и обеспечить больший ток для источника питания B +.

Мокрый. Выпрямительный клапан имеет высокое сопротивление в прямом направлении, которое технические специалисты называют сырым источником питания.Двухтактные усилители класса A с катодным смещением, дерегулирование B + не является проблемой, потому что ток через выходные клапаны всегда максимален и остается постоянным. Но в классе AB ток через выходные клапаны увеличивается по мере увеличения уровня усилителя, подача B + будет уменьшаться настолько, что приведет к смещению выходных клапанов от их линейного положения, что приведет к увеличению искажений, особенно интермодуляционные искажения.

Замена вентильного выпрямителя на 2 кремниевых диода позволяет усилителю иметь более стабильное питание B +.Но кремниевые диоды появились до того, как улучшилась технология электролитических конденсаторов. Клапанному выпрямителю требуется время, чтобы нагреться, что медленно заряжает электролитические конденсаторы, защищая их. Ранние электролитические конденсаторы можно было легко повредить, если зарядить кремниевыми диодами мгновенно, в момент включения усилителя. Отложенное плавное включение с использованием реле решает проблему броска тока диода, но редко применялось.

Электролитический. Современные высококачественные электролитические конденсаторы имеют примерно в 10 раз большую емкость, в 10 раз более длительный срок службы и рейтинг 105 ° C при аналогичном физическом размере.Современные высококачественные электролитические конденсаторы можно мгновенно заряжать до полного напряжения без каких-либо негативных последствий. Старый желтый Электро — 50 мкФ. Современная задняя панель Electro — 470 мкФ.

Когда оккультный аудиофилизм развился в 1980-х, наука и техника были заменены мистикой, и многие оккультные последователи полагали, что старый выпрямительный клапан и старые электролитические конденсаторы способствовали волшебному звучанию ламповых усилителей до 1960 года. Некоторые производители ламповых усилителей сегодня, которые обслуживают оккультный рынок, используют выпрямительные вентили и электроустановки старого образца.

Блок питания вентильного выпрямителя

Самые ранние источники питания для вентильных выпрямителей были двухполупериодными, с конденсаторным входом. Два полуволновых выпрямителя в противофазе заряжают первый Electro до пика пульсирующего постоянного тока. Пик пульсирующей волны постоянного тока на 1,414 больше, чем RMS. Только пик пульсирующего постоянного напряжения (10% доступной энергии) заряжает Electro. Источники питания конденсаторов плохо регулируются, что означает, что напряжение B + значительно падает при приложении токовой нагрузки.

Пример силовой трансмиссии в схеме ниже имеет 2 последовательно соединенных обмотки переменного тока 350 В. Это также можно описать как 700 В переменного тока с центральным ответвлением, подключенным к заземлению шасси. 350 В переменного тока + 350 В переменного тока = 700 В переменного тока. Выпрямитель клапана имеет 2 анода с общим катодом. Ранние электролитические конденсаторы имели небольшую емкость. Первый конденсатор емкостью 20 мкФ заряжается до пикового напряжения пульсирующего постоянного тока, но из-за того, что Electro небольшой, возникает большое количество пульсаций. Индуктивность дросселя фильтра Pi должна быть очень большой, чтобы отфильтровать чрезмерную пульсацию.Пи-фильтр — это дроссель (ненасыщаемый индуктор) между двумя электродами.

Выпрямительные клапаны были / остаются неэффективными из-за их высокого внутреннего сопротивления. Кроме того, 20 мкФ слишком малы, чтобы поддерживать полную зарядку во время каждого пика постоянного тока от клапана выпрямителя. Дроссель будет усреднять пульсирующие пики постоянного тока до более низкого уровня, чтобы устранить пульсации. Блок питания вентильного выпрямителя с маленькими электродами имеет низкий КПД.

Если выпрямительный клапан и маленькие 20 мкФ Electro заменить кремниевыми диодами и современными 470 мкФ Electro, расчет для источника B + будет точно соответствовать академической формуле.
Вольт переменного тока x 1,414 = Постоянный ток В (B +)
360 В переменного тока x 1,414 = постоянный ток 509 В (B +)

Напряжение питания B + от источников питания выпрямителя раннего клапана падает, когда выходные клапаны нагреваются и проводят ток. Удаление выходных клапанов, чтобы ток не поступал от источника питания, приведет к увеличению напряжения B +, близкому к академической формуле. 360 В переменного тока x 1,414 = 509 В постоянного тока. Клапанные усилители, в которых используются выпрямительные клапаны, не должны включаться при снятых выпускных клапанах. Electro может быть перенапряжен и поврежден.

В приведенной выше схеме неэффективность вентильного выпрямителя с малым Electro приводит к потере примерно 70 В от академического расчета 509 В до 440 В, когда выходные клапаны нагреваются и проводят ток.

Большинство вентильных усилителей мощностью менее 40 Вт сконфигурированы как двухтактные (катодное смещение) класса A. При катодном смещении ток покоя через выходные клапаны всегда максимальный, поэтому постоянный. Стабильность B + (регулировка) не нужна. Но в классе AB ток через выходные клапаны увеличивается по мере увеличения уровня, в результате чего подача B + модулируется изменяющимся током через выходные клапаны.

Нагреватели переменного тока 6,3 В. Большинству выходных клапанов восьмеричной системы требуется около 1,5 А тока для нити накала для нагрева катода. 4 выходных клапана плюс клапаны предусилителя и световые индикаторы — всего около 10 А 60 Вт. 10А — это большой ток, и для соединения нитей клапана требуется очень толстый провод. Большой ток накала создает вокруг провода магнитное поле переменного тока, которое может быть наведено в компоненты схемы, вызывая постоянное раздражающее гудение.

Самый короткий путь для проводов нагревателя должен сначала идти к выходным клапанам, а затем к клапанам предварительного усиления.Электропроводка нагревателя прилегает к шасси, а компоненты схемы расположены как можно дальше. Центральный ответвитель (CT) на землю от вторичной обмотки 6,3 В — это попытка минимизировать магнитное поле переменного тока, создаваемое проводами нагревателя, создающими помехи для компонентов схемы. Многие силовые трансформаторы имеют отдельную обмотку 6,3 В переменного тока для клапанов предусилителя.

Утечка магнитного гула из нити клапана может быть вызвана в катод. Некоторые предусилители класса Hi-end имеют постоянный ток для нитей фонокорректора предусилителя.Клапаны Noval 12AX7 и т. Д. Могут иметь последовательно соединенные нити 12,6 В, поэтому требуется только 1/2 величины тока.

Дроссельный входной фильтр

Основными ограничениями ранних источников питания клапанных выпрямителей было высокое прямое сопротивление в клапанах выпрямителя и малая емкость аккумуляторов Electro (около 20 мкФ). Электро-усилители емкостью 470 мкФ сегодня часто используются в высококачественных ламповых усилителях.

Большинство ламповых усилителей мощностью более 40 Вт настроены на класс AB (отрицательное смещение).Ток покоя через каждый выходной клапан составляет примерно 50 мА. Когда усилитель работает на полную мощность, ток может возрасти примерно до 150 мА. Напряжение B + от традиционного источника питания конденсатора легко упадет до более низкого уровня. Напряжение B + будет модулироваться изменяющимся током через выходные клапаны. По мере того как напряжение B + уменьшается, уменьшается и усиление выходных клапанов. Модулирующее напряжение B + вызывает массивные интермодуляционные искажения.

Источники питания входного фильтра дросселя, также называемые источниками питания с качающимся дросселем, часто встречаются в промышленной электронике, где требуется большой ток постоянного тока с высокой степенью регулирования.Источники входного фильтра дросселя часто использовались в ранних источниках питания вентильных выпрямителей для ламповых усилителей мощностью 100+ Вт. Дроссель Swinging почти такой же большой, как трансмиссия. Часто использовались два очень больших вентильных выпрямителя. Каждый вентильный выпрямитель имеет аноды, включенные параллельно, чтобы уменьшить его внутреннее сопротивление и увеличить ток.

Пульсирующий постоянный ток от клапана выпрямителя проходит через большой дроссель (не насыщаемый индуктор). Дроссель Swinging преобразует пульсирующий постоянный ток в его среднеквадратичное значение без потери энергии.Внутренние потери в двухклапанных выпрямителях минимальны. Преобразование переменного тока в постоянный близко к академической формуле.

Вольт переменного тока x 0,9 = Вольт постоянного тока
640 В переменного тока x 0,9 = 576 В постоянного тока

A Входной источник питания дросселя имеет КПД примерно 90%, поэтому B + будет оставаться относительно стабильным, когда усилитель класса AB работает на большой мощности. В приведенной выше схеме потери 16 В вызваны прямым сопротивлением двух больших вентильных выпрямителей. Потери выпрямителя клапана 16V малы по сравнению с B + 560V.

Преимущество входного питания дросселя заключается в его превосходной стабилизации и минимальных пульсациях постоянного тока на напряжении B +. В более ранние времена, когда были доступны только маленькие Electro (20 мкФ), увеличение индуктивности дросселя могло напрямую компенсировать небольшое значение Electro. Входной фильтр Choke, использующий современные lager 470uF Electro, может обеспечить почти идеальное питание B + без пульсаций.

CIP недостаток. Для стабилизации питания входной фильтр дросселя должен постоянно находиться под нагрузкой.Без нагрузки источник питания входного фильтра дросселя будет вести себя как входной источник конденсатора, и напряжение B + повысится до пика пульсирующего напряжения постоянного тока. В примере источника питания 640 В переменного тока x 1,414 = 904 В постоянного тока. Очень важно постоянно иметь внешнюю резистивную нагрузку на выходе B + или схему, которая переключает резистивную нагрузку на B +, если усилитель включен без выходных клапанов.

Качающийся дроссель Термин «качающийся дроссель» часто использовался для обозначения источников питания входного фильтра дросселя в ламповых усилителях.В промышленной электронике термин «качающийся дроссель» используется для обозначения наименьшего физического размера дросселя, который может быть для стабилизации постоянного тока (требует дальнейшего объяснения). Для источников питания вентильного усилителя обычно используется большой линейный дроссель, а не маленький качающийся дроссель.

Отрицательное смещение (раннее)

В предыдущей схеме напряжение смещения получается от ответвления 100 В переменного тока на обмотке HT через кремниевый диодный 1/2 волновой выпрямитель. Ток смещения невелик, а пульсации постоянного тока минимальны.

Первые кремниевые диоды были низкого напряжения и не могли использоваться для источника питания B +. Первое применение кремниевых диодов в ламповых усилителях было использовано для упрощения возможности получения напряжения смещения для мощных усилителей класса AB. Напряжение смещения должно появиться сразу на сетках выходных клапанов, прежде чем выходные клапаны достигнут рабочей температуры. Если напряжение смещения отсутствует или отсутствует, выходные клапаны перейдут в режим полной проводимости и будут повреждены.

Многие производители силовых трансмиссий не знали о необходимости обеспечивать отдельную обмотку для напряжения смещения, когда стали доступны кремниевые диоды.Новаторский метод многих производителей ламповых усилителей заключался в использовании небольшой силовой трансмиссии 5 ВА (120 В или 240 — 6 В) в обратном направлении. Вторичная обмотка трансмиссии малой мощности была подключена к 6,3 В переменного тока, и на первичной обмотке появилось около 100 В переменного тока. Это позволило создать простую схему 1/2 волнового выпрямителя с использованием кремниевого диода для напряжения смещения, как в приведенной выше схеме.

Другой способ получения напряжения смещения в приведенной выше схеме берется из вторичной обмотки HT силового трансформатора через конденсатор C1.Значение C1 регулирует напряжение переменного тока, которое появляется на переходе C1 R1. Этот метод работает хорошо, за исключением двух проблем. C1 должен иметь номинальное напряжение не менее 600 В, иначе он может выйти из строя, что часто случалось. Импеданс источника на переходе C1 R1 очень высок, что увеличивает время зарядки C12 C13 до полного напряжения. Это не проблема при включении, когда выходные клапаны холодные, потому что выходным клапанам требуется больше времени для прогрева, чем время зарядки C12 C13 для напряжения смещения.Но если усилитель выключается и включается периодически, после того, как выходные клапаны нагреваются до полной температуры, выходные клапаны перейдут в режим полной проводимости, пока C12 C13 снова не будет медленно заряжаться для обеспечения правильного напряжения смещения.

К 1960 году высоковольтные кремниевые диоды заменили вентильные выпрямители, и с современными крупными электродами можно было легко изготавливать вентильные усилители класса AB высокой мощности. Но 10 лет спустя твердотельные технологии взяли верх, и почти все производство ламповых усилителей было закрыто.Прошло еще 10 лет (80-е годы), прежде чем интерес к ламповым усилителям снова начал проявляться. Появилось новое поколение производителей ламповых усилителей, нацеленное на движимое жадностью поколение «зажиточных оккультных аудиофилов» фондового рынка.

Современный ламповый блок питания

Идеальный источник питания лампового усилителя должен быть стабильным почти на 100% с небольшими отклонениями от источника питания B +, когда усилитель работает на полную мощность. Стабильное питание B + было невозможно с вентильными выпрямителями и маленькими электродами.У кремниевого диода падение напряжения составляет всего 0,7 В, что незначительно по сравнению с B + 560 В. 470 мкФ (от 300 В до 400 В) доступны в продаже и используются во многих современных ламповых усилителях. Для B + на 560 В требуется 2 последовательно соединенных электрода для питания 560 В B +. Резисторы утечки 100 кОм гарантируют, что у Electro будет одинаковое напряжение на них, а напряжение B + разряжается при выключении усилителя. Modern Electro можно мгновенно зарядить без необходимости плавного включения.

Все хорошо спроектированные ламповые усилители имеют плавное включение.Мягкое включение гарантирует, что Electro никогда не будет в стрессе. Простой метод — это большой проволочный резистор приблизительно 50R, подключенный последовательно к сети 120/240 В. Резистор ограничивает пусковой ток сети, и Electro мягко заряжается. Примерно через 1/2 секунды после включения усилителя реле закорачивает резистор 50R.

Следующие ниже описания различных источников питания являются только академическими примерами. Реальные показатели примерно на 10% выше, чтобы компенсировать потери.

Академическая формула для источников питания с конденсаторным входом основана на квадратном корне из 2 (1,414). В переменного тока x 1,414 = выход постоянного напряжения. Для B + 560 В требуется переменное напряжение 400 В переменного тока от обмотки HT. Необходимо увеличить 400 В переменного тока, чтобы компенсировать неэффективность трансмиссии и сопротивление обмотки HT и т. Д. Обмотка HT должна быть 424 В переменного тока для B + 600 В без проводящих ток выходных клапанов. Допускается 10% дерегулирование (менее 44 В) до B + 560 В, когда выходные клапаны работают на полную мощность.Трансмиссия с физически большой мощностью имеет лучшее регулирование (чем больше, тем лучше).

Полная волна. Большинство вентильных выпрямителей имеют 2 анода и 1 катод, поэтому почти все источники питания вентильных усилителей были двухполупериодными, выбора не было. Для двухполупериодной работы требуется 2 последовательно соединенных обмотки переменного тока по 400 В для достижения напряжения B + 560 В с кремниевыми диодами.

Мостовой выпрямитель имеет 4 диода и одну обмотку HT 400 В переменного тока для достижения напряжения B + 560 В. Большинство современных источников питания имеют мостовую конфигурацию. Проще сделать силовой трансформатор с одной вторичной обмоткой HT.

Источник питания с удвоителем напряжения аналогичен двухполупериодным выпрямителям, расположенным в противофазе. Удвоитель напряжения, как указано в его описании, включает x 2 выходного напряжения постоянного тока в качестве моста или 1/2 напряжения переменного тока для того же напряжения постоянного тока на выходе, что и мост.

Сравнение конденсаторного входа. Были нескончаемые споры о том, какая из трех конфигураций входа конденсатора дает лучший результат. Если общая мкФ у Electro одинакова, и размер ВА мощности трансмиссии такой же, и масса медного провода в обмотках HT одинакова, то академическая успеваемость одинакова для всех трех.Но в реальном мире удвоитель напряжения имеет небольшое преимущество. Нижняя обмотка переменного тока 200 В HT в силовой трансмиссии имеет меньше витков с более толстым проводом, а обмотка более компактна, что позволяет немного увеличить массу меди при большем сечении провода. Также соотношение витков между первичной обмоткой сети и вторичной обмоткой HT ближе, индуктивность рассеяния немного меньше. Только намотав каждую вторичную обмотку HT и составив 3 типа конфигураций источника питания и сравнив их, можно увидеть это различие.

Развязка

Напряжение питания для драйвера 12AU7 и предусилителя инвертора 12AX7 поступает от источника питания от 350 до 300 В, который часто получается от источника питания B + 560 В. R1 и R2 выбраны для формирования делителя напряжения, обеспечивающего + 350 В для драйвера 12AU7. R1 R2 выбираются путем вычислений и проб и ошибок.

Около B + 590 появляется сразу после включения питания. Всем клапанам требуется время, чтобы нагреться и начать проводить ток.Когда KT88 начнут проводить ток, напряжение B + упадет примерно до + 560 В. Делитель напряжения R1 и R2 должен быть выбран так, чтобы не превышало максимальное номинальное напряжение 2 x 20 мкФ (400 В) развязывающих электродов. Поскольку 12AU7 и 12AX7 будут нагреваться и проводить ток, понижая напряжение на переходе R1 R2 примерно до + 350V.

Моторно-водный. До 1960 года, когда существовала только клапанная технология, большинство небольших прогулочных моторных лодок имели встроенный длинноходный дизельный одноцилиндровый двигатель — стрела, стрела, стрела, стрела.Когда ламповый усилитель работает на полную мощность, B + 560V модулируется вверх и вниз с изменяющимся током через выходные клапаны. Если силовой трансмиссия большая и HT Electros 470uF в хорошем состоянии, то B + должен уменьшиться только на небольшой%, когда усилитель работает на полную мощность.

В ранних ламповых усилителях B + Electros и развязки Electros были небольшими. В течение нескольких коротких лет Электро начнут протекать и терять свою емкость. У B + будет чрезмерная пульсация и она уменьшится до большего%, когда усилитель будет / работает на полную мощность.Большой модулирующий B + вызовет также модуляцию нижнего разъединенного напряжения питания B + для приводов и клапанов инвертора. Модулирующее напряжение развязки B + заставит клапаны привода и инвертора генерировать большой низкочастотный пульсирующий сигнал от 3 до 10 Гц на выходные клапаны, модулируя ток через выходные клапаны, который, в свою очередь, модулирует питание HT B +. Результатом будет петля положительной обратной связи, производящая громкий, ранний одноцилиндровый двигатель, звук моторной лодки через динамики.

400V Регулируемый. Некоторые ранние клапанные усилители имеют второй источник питания B + 400, который берется из отдельной вторичной обмотки силовой трансмиссии. Размещение дополнительных вторичных обмоток на силовой трансмиссии занимает ценное оконное пространство, а калибры проводов должны быть меньше, что снижает регулировку трансмиссии.

Активная схема стабилизатора на 400 В может быть построена с использованием современного большого полевого МОП-транзистора на 600 В, как показано на схеме справа. Эта активная схема обеспечивает фиксированное регулируемое питание для экранов усилителя, сконфигурированного на тетрод.Особенно подходит для гитарных усилителей. Регулируемый источник питания 400 В также является лучшим решением для подачи развязанного B + на драйвер 12AU7 и клапаны предварительного усиления инвертора 12AX7.

MOSFET должен быть прикручен к шасси болтами с дополнительной изоляцией. Сток питается от B + 560V через проволочный резистор 2k2 5 Вт. Гитарный усилитель, сконфигурированный с помощью тетрода, будет пропускать ток через экраны, когда усилитель приводится в искажение. 2k2 рассеивает часть тепла, что позволяет полевому транзистору быть более холодным.Ссылка 400V Ворота поставляются 2 х 20 стабилитронов. Резистор 10 кОм, включенный последовательно с затвором, сохраняет паразитную стабильность полевого транзистора. Стабилитрон 12 В от источника до затвора гарантирует, что напряжение затвора не может превышать максимальное значение. Выходное напряжение на источнике будет немного меньше 400 В, в зависимости от прямого смещения затвор-источник.

Отрицательное смещение

К цепи отрицательного смещения следует отнестись очень серьезно. Один диод в качестве 1/2 волнового выпрямителя имеет плохую регулировку и чрезмерную пульсацию.Напряжение смещения должно быть идеально ровным и без пульсаций. Мостовой выпрямитель необходим. Электрос должен быть максимально качественным и большим. Любой сбой в цепи смещения может повредить выходные клапаны.

Сеть 120 В 240 В переменного тока нестабильна и может измениться на 10%, в результате чего B + также изменится на 10%. Напряжение смещения не должно быть фиксированным, но должно изменяться с тем же%, что и входящая сеть и B +. Разрешение изменения напряжения смещения с тем же%, что и напряжение сети и B +, автоматически позволяет току покоя через выходные клапаны оставаться относительно стабильным.

Схема выше является только ориентировочным примером. Значения компонентов необходимо рассчитать при построении реальной схемы. Резисторы 100 кОм обеспечивают напряжение смещения a на сетках выходных клапанов. Регулировочные потенциометры позволяют от -60 В до -90 В получить 50 мА в покое для каждого KT88.

При включении, -Bias должен появиться сразу на сетках выпускных клапанов, до того, как клапаны нагреются. При выключении -Bias должен оставаться как можно дольше. Если усилитель периодически выключается и включается (быстро) после того, как выходные клапаны нагрелись до полной температуры, напряжение смещения необходимо немедленно повторно подать на сетки выходных клапанов.

Для цепи отрицательного смещения требуется очень небольшой ток, примерно 3 мА x 100 В =

Многие производители ламповых усилителей, особенно гитарных, не понимают важности безопасного напряжения смещения. Часто цепь смещения питается от одинарного диодного 1/2 волнового выпрямителя, с высоким импедансом источника, следовательно, большой постоянной времени при включении. Это не вызывает проблем при первом включении усилителя при холодных выходных клапанах. Но когда усилитель периодически выключается и включается, когда выходные клапаны горячие, разряженное напряжение смещения заряжается медленно.Выходной клапан переходит в режим полной проводимости (плавление) на секунду или две, пока смещение не достигнет полного напряжения.

Входной фильтр Modern Choke
Кремниевые диоды

значительно лучше вентильных выпрямителей. Прямое сопротивление вентильного выпрямителя устранено. B + регулирование значительно улучшено. В результате большинство современных полупроводниковых усилителей имеют конденсаторные источники питания. Источники входного фильтра дросселя, которые были обычным явлением в более ранних ламповых усилителях большой мощности, теперь используются редко.Основная причина — это стоимость и физическая масса большого дросселя (ненасыщенного индуктора). Входные источники питания дросселей настолько велики, что их лучше всего устанавливать на отдельном шасси. Однако с кремниевыми диодами источник питания входного фильтра дросселя обеспечит наилучшее стабильное регулирование для источника питания B +.

Нагреватели постоянного тока. Преимущество нагревателей постоянного тока состоит в том, что устраняется небольшая наведенная утечка магнитного шума на катоды, что позволяет клапанам работать тише, чем обычно.

Было бесконечное количество аргументов в пользу того, что нити нагревателя клапана (включая выходные клапаны) должны питаться постоянным током, а не переменным током. Сильноточный постоянный ток имеет недостаток, аналогичный электролитической коррозии, вызываемой автомобильными аккумуляторами. Электролитическая коррозия вызывает кабели, соединители и нити клапана, что снижает срок службы нити. Однако срок службы катода по эмиссии меньше, чем сокращенный срок службы, вызванный коррозией нити накала постоянным током. Следовательно, постоянный ток для вентильных нитей не представляет большой проблемы.Простым решением для сведения к минимуму электролитической коррозии постоянного тока является переключение (реверсирование) полярности постоянного тока на нити примерно каждый месяц. Нагреватели должны быть подключены последовательно 12,6 В, чтобы ток был 1/2.

Режим переключения. Самым простым решением является использование импульсного источника питания 12 В, который легко доступен по невысокой цене. Ламповый усилитель — это бесценное достояние, которое будет с любовью сохраняться из поколения в поколение. Неисправный импульсный источник питания, рассчитанный на резервирование в течение 10 лет, не имеет надежды на то, что он выдержит такое расстояние.

Блок питания входного фильтра дросселя 12 В прослужит практически вечно, требуя минимального или нулевого обслуживания. Можно использовать обычный кремниевый мостовой выпрямитель. Но из-за высокого тока от 5 до 10 А (в зависимости от количества выходных клапанов) на каждом диоде имеется внутреннее напряжение 0,7. В мостовой конфигурации 2 диода постоянно включены последовательно, поэтому прямое падение напряжения на 2 диодах составляет 1,4 В x 5 А = 7 Вт тепла. Кроме того, на диодах есть потери 1,4 В, которые необходимо компенсировать.

12,6 В, двухполупериодный. Лучшее решение — использовать полноволновую конфигурацию, как на рисунке выше. Тепло, рассеиваемое диодами, составляет 1/2, 3,5 Вт, а прямое падение — всего 0,7 В. Обычный мост на 30 А с использованием двух внутренних диодов — самое простое и лучшее решение. При включении нагреватели холодные, сопротивление нагревателя примерно 1/10. Пусковой ток составляет около 20 А +. Сопротивление нитей быстро увеличивается с температурой (положительный температурный коэффициент PTC), и ток уменьшается примерно до 1.5А / выходной клапан.

На рисунке выше показан прототип входного источника питания дросселя для линейного лампового усилителя мощностью 100 Вт на канал, аналогичного схеме выше. Нагреватели B + 560В и 12,6В. Сердечники C используются для силовой трансмиссии и дросселей.

© 2009-2016 гг. Ленард Аудио. Все права защищены во всем мире.

Руководство по пониманию синфазных дросселей