Импульсные трансформаторы блоков питания atx



Блок питания ATX: переделка под усилитель низкой частоты (часть 2) (страница 2)

На выходе трансформатора получается переменное напряжение высокой частоты, а значит, к нему можно подключить еще один (самодельный) трансформатор и с него получить любое нужное напряжение. При этом в конструкцию блока питания добавляется еще один крупный элемент, но работа всего устройства не меняет идеологии, как это было с умножителем, а потому предпочтительнее.

На схеме элементы, необходимые для получения повышенного выходного напряжения, заключены в зеленый прямоугольник.

Трансформатор TV1 обладает обмотками канала 5 В (w2, w3) и канала 12 В (w4, w5, совместно с обмотками w2, w3).

реклама

Если посмотреть на нижнюю часть схемы, то ничего необычного не наблюдается – диоды D3, D4 формируют отрицательное напряжение «-12 В», диодная сборка D3 «+12 В», сглаживание напряжения осуществляется двумя обмотками выходного дросселя и конденсаторами C5, C6. Резисторы R3 и R4 создают небольшую нагрузку по «+/-12 В», иначе напряжение на этих выходах будет чрезмерно возрастать по мере увеличения тока нагрузки по другим выходам. Многоканальные блоки питания очень «не любят» неравномерную нагрузку по всем выходам, приходится идти на компромисс и создавать небольшую нагрузку.

Для получения повышенного напряжения в конструкцию добавляется второй трансформатор с тремя обмотками – одной первичной и двумя вторичными. Его входная обмотка подключается к существующему трансформатору и на вторичной стороне получаются напряжения, которые складываются с напряжением обмоток канала 12 В, в результате получается выходное напряжение большего уровня. Такой прием позволяет перекачивать через второй трансформатор только часть мощности, что снижает требования и повышает КПД всего блока питания. Ну что же, со схемой определились, теперь надо решить частные вопросы.

Выбор и расчет трансформатора

Блок питания рассчитан на мощность нагрузки 300-400 Вт, основная часть из которой будет получаться по каналу «+/-40 В». Не очень хочется перекачивать всю мощность на самодельном трансформаторе, лучше задействовать существующие выходы основного трансформатора и добавить напряжение к тому, что уже есть на плате – в результате чего мощность дополнительного трансформатора снизится. Такое включение и изображено на схеме.

Итак, надо получить 40 В, 12 В уже есть, значит трансформатор должен добавлять 40-12=28 В. При таком подходе через дополнительный будет перекачиваться (28/40)*100=70% от выходной мощности. Это хорошо, можно снизить габаритную мощность трансформатора (выбрать его размером поменьше). Осмотр мусора выявил древний блок питания 200 Вт, из которого был извлечен силовой трансформатор. После прогрева и разборки его удалось разделить на сердечник и каркас.

Для вычисления диаметра и количества витков обмоток необходимо знать сечение сердечника (диаметр 10 мм) и площадь окна намотки (4*20 мм).

Формула расчета числа витков от приложенного напряжения выглядит так: w = V / (0.4 * F * B * S).

  • w – искомое число витков.
  • V – напряжение, прикладываемое к обмотке. В формуле принимается прямоугольная форма сигнала с максимальной скважностью (то есть «меандр»).
  • F – частота в кГц.
  • B – индукция, Тл. Для импортных ферритов, рассчитанных на применение в блоках питания, B=0.1-0.2 для исполнения с накоплением энергии (дроссели) и B=0.2-0.4 без накопления (трансформаторы).
  • S – площадь сечения сердечника, см 2 .

В формуле использованы некоторые характеристики не в стандартных единицах, так проще считать, нет возни с порядками.

реклама

Так, какую обмотку будем считать? Наверно, стоит начать с той, которая подключается к основному трансформатору, в ней витков меньше. В выходной обмотке больше витков и ее проще адаптировать под нужный коэффициент трансформации.

Вариантов подключения два – или к «крайним» выходам основного трансформатора, что дает максимальный размах напряжения и снижает ток, или к выводам обмоток канала 5 В. Модернизации подвергается блок питания с довольно низкой отдачей по выходу 12 В, всего 13 А (156 Вт). Наверняка обмотка 12 В основного трансформатора довольно слабая и использование ее для запитки дополнительного трансформатора будет ошибкой. К тому же, обмотка 12 В уже используется в цепи формирования повышенного выходного напряжения, а потому она и так будет нагружена.

Читайте также:  Герметичный ответвительный зажим n 640

В трансформаторе есть обмотка канала 5 В, по спецификации БП может отдавать по этому выходу 30 ампер и еще 20 ампер по выходу 3.3 В (берется с той же обмотки). То есть с нее можно снять порядка 200 Вт и это не должно вызвать перегрева. Очень даже возможно, в блоках питания такого типа обмотка канала 5В довольно часто выполняется из медной ленты, что обеспечивает ее хорошую магнитную связь (малое рассеивание) и низкое сопротивление. Подключать будем между крайними выводами этой обмотки, так больше напряжение и не произойдет затекания тока на землю.

Итак, напряжение на первичной обмотке трансформатора 11 вольт, частота преобразователя 45 кГц (измерено). Площадь сечения сердечника считается из диаметра 10 мм как PI*D*D/4=3.14*1*1/4=0.79 см 2 .

Число витков первичной обмотки: 11/(0.4*45*0.4*0.79) = 11/5.69=1.93 витка.

Это минимальное значение. Если намотать меньше, то магнитопровод войдет в насыщение и настанет «небо в алмазах». С другой стороны, используется неизвестный материал, у него «В» может быть не 0.4, а только 0.2, как в советском Н2000НМ1-17. Трансформатор взят из старого компьютерного блока питания, а для него четко известно, что у обмотки 5 В три витка. Если намотать в той же пропорции, то феррит гарантировано не войдет в насыщение. Кроме того, второй трансформатор подключается к выходной обмотке основного, чем вызывает снижение его индуктивности. Если бы блок питания использовался для получения одного напряжения, то изменение свойств трансформатора или выходного дросселя никого бы не волновало – обратная связь выправит все дефекты.

В данном случае два канала, да еще двойные. Очень не хочется получить проблему на свою голову, не стоит экспериментировать. Иначе придется увеличивать токи нагрузки, чтобы выходные напряжения не «разбрелись» в разные стороны, и это увеличит «фоновое» потребление блока питания. И так уже «идет в воздух» 10 Вт – именно столько потреблял блок питания на холостом ходу до доработки.

Определились, первичная обмотка должна содержать примерно шесть витков.

Вторичные обмотки считаются из нужного коэффициента трансформации, который составит 28 В / 11 В = 2.545. Здесь «28 В» – напряжение, которое надо добавить к 12 В, чтобы получить нужное (40 В); «11 В» – напряжение на противоположных концах обмотки 5 В (11=5.5*2).

Число витков вторичных обмоток равно количеству витков в первичной обмотке, умноженной на коэффициент трансформации, или 6*2.545=15.3

Следующий шаг – необходимо выбрать такое сечение провода, чтобы обмотки уместились на каркасе. Рекомендуют использовать не более 50 процентов окна намотки, но в рассматриваемом случае отсутствует межслойная изоляция, поэтому можно повысить цифру до 60%.

В данной схеме применяется трансформатор без подмагничивания, то есть без магнитного зазора. Для такого исполнения лучше наматывать обмотки в одну линию. К слову, если используется зазор, то эффективность работы обмотки зависит не от ее протяженности, а от площади окна, которую она занимает. Это означает, что тогда лучше так распределить обмотки, чтобы каждая из них занимала один слой полностью. Высокая магнитная связь между выходными обмотками желательна, но больший интерес представляет хорошее сцепление между первичной и каждой вторичной обмоткой – их лучше наматывать как можно ближе. Попробуем вариант, когда используются три обмотки и каждая занимает один слой, то есть три слоя.

Раз «один слой» и длина намотки 20 мм, то можно вычислить диаметр провода. Вторичная обмотка (пятнадцать витков): 20/15=1.3 мм. Можно использовать эмалированный провод 0.8-0.9 мм, небольшое недоиспользование длины каркаса не ухудшает свойства трансформатора.

Читайте также:  Как посмотреть предохранитель мультиметром

Первичная обмотка (шесть витков): 20/6= нереально. Таким проводом мотать нельзя, да и займет он всё пространство. Вывод – надо воспользоваться сдвоенным проводом. Но, коль скоро используется двойной провод, то надо учесть «потерю» одного витка из-за «сдвоенности» – получается повышенная потеря места на начале-конце обмотки. Считаем: 20/((6+1)*2)=1.43 мм. Для унификации можно воспользоваться тем же проводом, что пойдет на намотку вторичных обмоток. Проверяем, уложимся ли в высоту намотки – каждый слой толщиной 1 мм, всего слоев три – выходит 3 мм. У каркаса окно намотки 4 мм, всё хорошо влезает.

К сожалению, провод 0.9 мм у меня закончился, поэтому пришлось мотать 1.2 мм. Это не хуже варианта с 0.9, но и не лучше – в трансформаторах начинает сказываться величина скин-слоя для частоты 45 кГц (и ее гармоник, форма сигнала «прямоугольная», что означает крайне широкий спектр). Последовательность намотки обмоток:

реклама

1. Первая вторичная – пятнадцать витков провода 1.2 мм.
2. Первичная – шесть витков двойного провода диаметром 1.2 мм.
3. Вторая вторичная – пятнадцать витков провода 1.2 мм.

В результате трансформатор получил следующие характеристики:

  • Сопротивление вторичной обмотки: первой 12 мОм, второй 16 мОм.
  • Индуктивность первичной обмотки 60 мкГн.
  • Индуктивность вторичной обмотки 369 мкГн.
  • Индуктивность рассеивания вторичной обмотки при закороченной первичной: первой 0.2 мкГн, второй 0.4 мкГн.

Последний пункт характеризует качество связи обмоток. Если в обычном режиме индуктивность вторичной обмотки 369 мкГн, то при закорачивании первичной обмотки индуктивность падает до 0.2-0.4 мкГн, изменение в 2000-1000 раз, что говорит о хорошей магнитной связи между обмотками – трансформатор сделан неплохо.

Выпрямительные диоды

Напряжение на выходе БП довольно большое, о применении диодов Шоттки, даже высоковольтных, можно не помышлять. Диоды следует подбирать по величине тока и рабочему напряжению. В полумостовом блоке питания на диод приходится напряжение, в три раза превышающее выходное. Например, на канал 40 вольт следует брать диоды с рабочим напряжением не менее 40*3=120 В. Рабочий ток практически равен току нагрузки по этому каналу, то есть 10 ампер.

Хочется особо отметить, что «запас» по напряжению для диодов так же накладен, как и в ранее рассмотренном примере с диодом Шоттки. По мере повышения рабочего напряжения растет время выключения и падение напряжения на открытом диоде. Лично я использовал диоды FEP16DT. Обратите внимание, как меняются его свойства от рабочего напряжения:

Лучше всего использовать диоды с рабочим напряжением 200 вольт – при этом значении еще не происходит деградация характеристик. Слегка утрировав, можно предположить, что выпускаются всего три (разных) типа диодов – с рабочим напряжением 200 В, 400 В и 600 В, а остальные позиции получаются разбраковкой.

Трансформатор блока питания

Честно говоря, не ждал подвоха от силового трансформатора БП, с чего бы это? Но, «он» последовал. Считается, что обмотки канала 12 вольт добавляются к соответствующим обмоткам канала 5 В. К сожалению, встречается альтернативный вариант, когда обмотка 12 В подключается к выпрямительному диоду канала 5 В и лишена прямого контакта с соответствующими обмотками трансформатора. Этот прием хорош для ATX блока питания, но здесь требуется получить как положительное, так и отрицательное выходное напряжение, и подходит только «классический» вариант соединения обмоток.

На картинке плохо различимы цвета, поэтому я отметил красные и оранжевые проводники. Обмотки 12 вольт выходят одной стороной слева (отмечено текстом «12» в левой части выводов трансформатора), а другой собираются на выводе, расположенном между двумя выводами «5». На картинке изображен трансформатор после доработки, которая заключается в аккуратном отделении четырех проводников от вывода и разделении их на две пары — оранжевые и красные. После чего «красные» подключаются к «оранжевым» проводникам цепи 5 В, а «оранжевые» к «красным». После доработки были измерены характеристики трансформатора:

  • Индуктивность первичной обмотки — 5.28 мГн.
  • Индуктивность двух обмоток «5 В» – 108 мкГн.
  • Сопротивление одной обмотки «12 В» – 8.4 мОм.
  • Сопротивление одной обмотки «5 В» – 2.1 мОм.
Читайте также:  Заявка на сварочные материалы

Под «обмоткой «12 В» понимается не вся составная обмотка, а только часть ее, которая добавляется к обмоткам «5 В».

М-да. Предположение оказалось верным, сопротивление обмотки «12 В» в четыре раза больше обмотки «5 В» и это при том, что число витков примерно одинаковое (четыре и три). А значит, решение подключить дополнительный трансформатор к обмоткам канала 5 В было верным.

Дроссель

Давайте уж закончим с силовой частью. Последним в списке «самодельных» элементов – дроссель. Для его изготовления использовался магнитопровод выходного дросселя, который был снят с блока питания при удалении выходной части. Точное название материала кольца указать затрудняюсь (желтый корпус с белой полоской), а внешние размеры 27х14х11 мм. У обмотки «12 В» было двадцать четыре витка, или два витка на вольт. Усилитель может потреблять весьма значительный ток при повышенном напряжении питания — я побоялся возможного насыщения магнитопровода и этот коэффициент был уменьшен.

Для упрощения расчетов обмотки дроссели получили в два раза больше витков, чем соответствующие обмотки на трансформаторах. На основном трансформаторе 12 В снимается с семи витков (три + четыре), на дросселе наматывается 7*2=14 витков. Напряжение 40 В получается прибавление дополнительной обмотки (пятнадцать витков), поэтому на дросселе наматывается (7+15)*2=44 (45) витков. Один виток добавлен из-за падения напряжения на диоде 0.8 вольта. Поэтому обмотки 12 В и 40 В должны соотноситься не как 12 к 40, а как 12.8 к 40.8 – отсюда и получается дополнительный виток на обмотке «40 В» дросселя.

Диаметр провода выбирается из тока и места на кольце. Здесь есть две рекомендации – плотность тока в проводе лучше выбирать в диапазоне 7-10 ампер на квадрат; обмотка должна занимать один (два) слоя. Я использовал провод диаметром 0.8 мм (можно применить и 0.9 мм), при этом получается как раз два слоя. Проводили исследования (не могу привести ссылку), после которых выяснилось, что наименьшие потери в дросселе получаются при выполнении обмотки в один слой для тонкостенного кольца и в два слоя для толстостенного, то есть обмотка занимает всю поверхность кольца в один слой. В данном случае второй вариант.

1. Две обмотки «40 В», намотка в два провода. Провод 0.8 мм, сорок пять витков.
2. Обмотка «12 В» проводом 1.2 мм, четырнадцать витков.
3. Обмотка «12 В» проводом 1.2 мм, четырнадцать витков.

Для справки, на обе обмотки «40 В» уходит примерно 3 метра провода.

На обмотки канала «+/-12 В» использован провод, снятый с дросселя, чем определяется повышенный диаметр. Провод очень жесткий, поэтому намотка «в два провода» крайне неудобна, да и в центральном окне кольца осталось не так уж много места, чтоб пропихивать сразу два проводника 1.2 мм. Дроссель получился таким:

  • Индуктивность обмотки канала «12 В» — 18 мкГн.
  • Индуктивность обмотки канала «40 В» — 187 мкГн.
  • Сопротивление обмотки канала «40 В» — 0.08 Ом.

Экономия индукции дросселя «вышла боком» – 18 мкГн канала «12 В» уже мало, хоть и не критично. Придется увеличить «фоновый» ток нагрузки по выходным напряжениям.

Силовые элементы сделаны, можно переходить к модификации схемы управления.

Источник

Оцените статью
toolgir.ru
Adblock
detector