Меню

Резонансный трансформатор от постоянного тока

Основные идеи, лежащие в основе резонансного режима работы

в идеале метод, использующий широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), является ответом на поиски практически совершенного стабилизированно­го источника питания. Мы уже говорили, что в импульсном источнике ключ либо включен, либо выключен и управление осуществляется с нулевым рас­сеянием мощности, в отличие от линейного стабилизатора, где стабилиза­ция происходит из-за рассеяния мощности в проходном элементе. В реаль­ных условиях, широтно-импульсная модуляция дает разумный подход к переключению без потерь за счет более низкой частоты переключения, на­пример, в диапазоне 20 – 40 кГц. Глядя на ситуацию с другой стороны, может сказать, почему этот частотный диапазон так долго был популярен.

От самого начала стабилизации с помощью ШИМ, конструкторы пы­тались продвигаться в сторону более высоких частот, поскольку при этом можно уменьшить размеры, вес и стоимость магнитного сердечника и конденсаторов фильтра. При высокой частоте переключения появляются и другие преимущества. Используя более высокие частоты можно ожи­дать уменьшение радиопомех и электромагнитных шумов; можно ожи­дать меньших проблем при экранировке, развязке, изоляции и ограниче-

НИИ в схеме. Можно также ожидать более быстрого срабатывания, а так­же снижения выходного сопротивления и величины пульсаций.

Главным препятствием на пути применения более высоких частот были практические трудности создания быстрых и достаточно мощных переключателей. Из-за того, что невозможно достичь мгновенного включения и выключения коммутатора, на нем во время переключения имеется напряжение и одновременно через него протекает ток. Другими словами, трапецеидальные, а не прямоугольные колебания характеризу­ют процесс переключения. Это, в свою очередь, приводит к потерям пе­реключения, которые сводят на нет теоретически высокий к.п.д. идеаль­ного коммутатора, который мгновенно включается, имеет нулевое сопротивление во включенном состоянии и мгновенно выключается. На рис. 18.2 сравнивается ШИМ и режим переключения в резонансном ре­жиме, который будет рассмотрен подробнее.

clip_image002

Рис. 18.2. Осциллограммы, показывающие разницу между ШИМ и резонансным режимом. При ШИМ потери переключения появляются из-за одновременного протекания тока через коммутатор и наличия напряжения на нем. Обратите внимание, что эта ситуация отсутствует при резонансном режиме работы, который для стабилизации напря­жения использует частотную модуляцию (ЧМ).

Из вышесказанного очевидно, что на идеальном переключателе не дол­жно быть никакого падения напряжения во время включенного состояния. Все эти рассуждения говорят о том, что высокий к.п.д. был трудно дости­жимой задачей, особенно при высоких частотах переключения до тех пор, пока не был достигнут прогресс в создании импульсных полупроводнико­вых приборов. Следует указать также, что одновременно был необходим прогресс в создании других устройств, таких как диоды, трансформаторы и конденсаторы. Надо отдать должное работникам всех областей техники за то, что частота переключения при использовании широтно-импульсной модуляции была повышена до 500 кГц. Тем не менее, на высоких часто­тах, скажем на частоте 150 кГц, лучше рассмотреть другой метод. Итак, мы приходим к резонансному режиму работы источника питания.

Стабилизированный источник питания, использующий резонансный режим, действительно представляет собой большой скачок вперед в раз­витии технологии. Хотя надо сказать, что использование резонансных яв­лений в инверторах, преобразователях и источниках питания предшеству­ет эре полупроводников. Оказалось , что при использовании резонансных явлений часто удавалось получить хорошие результаты. Например, в пер­вых телевизорах необходимые высокие напряжения для кинескопа полу­чали с помощью радиочастотного источника питания. Это был работаю­щий на частоте от 150 до 300 кГц генератор синусоидальных колебаний на электронной лампе, в котором повышение переменного напряжения достигалось в резонансном радиочастотном трансформаторе. По суще­ству подобные схемы все еще используются для создания напряжений, по крайней мере, несколько сотен тысяч вольт для различных промышлен­ных и научно-исследовательских целей. Более высокие напряжения часто достигаются благодаря совместному применению резонансного режима работы и диодного умножителя напряжения.

Также давно было известно, что резонансные выходные цепи инвер­тора стабилизируют работу электродвигателей и сварочного оборудова­ния. Обычно в разрыв провода, ведущего от источника постоянного на­пряжения к инвертору, включалась катушка с большой индуктивностью. При этом инвертор ведет себя по отношению к нагрузке как источник тока, что дает возможность легче удовлетворить условию существования резонансных явлений. В этом случае существующие тиристорные инвер­торы правильнее назвать квазирезонансными — колебательный контур периодически подвергается ударному возбуждению, но непрерывные ко­лебания отсутствуют. Между импульсами возбуждения, колебательный контур отдает запасенную энергию в нагрузку. Примеры упоминавшихся схем приведены на рис. 18.3, 18.4 и 18.5.

Стоит повторить, что в источниках питания и инверторах иногда исполь­зовалось благотворное влияние резонансных свойств дросселя в выходном фильтре. И последнее, несмотря на впечатляющий прогресс по сравнению с примитивными источниками питания, здесь, тем не менее, имеются вредные последствия нежелательных резонансов. Они проявляются в виде паразитных колебаний, радиопомех, электромагнитных шумов, бросков напряжения и связанных с ними сбоев в работе схемы, что снижает к.п.д., а также повреж­дает или даже разрушает активные и пассивные компоненты схемы.

Из сказанного выше должно бьггь ясно, что широкое использование ре­зонансного режима работы началось после создания специализированных ИС управления. Эти ИС освободили конструкторов от проблем со сбоями, кото­рые неизбежно сопутствуют стремлению использовать резонансный режим на частотах несколько сот килогерц ити несколько МГц, где малые размеры компонент могут дать заметное сокращение габаритов, веса и стоимости.

clip_image004

Рис. 18.3. Пример резонансного высоковольтного источника, работа­ющего в радиочастотном диапазоне. Это восстановленная старая схема использует электронные лампы в генераторе Мейснера. Рабочая частота определяется повышающей обмоткой Z1 и ее собственной распределенной емкостью. Никакой стабилизации частоты не предусматривается.

clip_image006

Рис. 18.4. Пример запускаемого током инвертора с резонансным кон­туром на выходе. Обратите внимание на присутствие катушки с боль­шой индуктивностью L в цепи питания и конденсатора, входящего в состав резонансного контура на выходе. Подобный метод применим и к инверторам с самовозбуждением. Эти схемы обычно не имеют стаби­лизации.

clip_image008

Рис. 18.5. Пример квази-резонансного инвертора с одним тиристором. Выбирая соответствующий тиристор, можно получить выходную мощность нескольких киловатт и частоту переключения около 30 кГц. Если частота пульсаций немного ниже резонансной частоты последо­вательного XС-контура, то на нагрузке будет хорошее синусоидальное напряжение. Стабилизация в схеме отсутствует. General Electric Semiconductor Products Dept.

Интересно, что резонансный стабилизатор напряжения имеет много общего с давно популярной схемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Действительно, согласно структурной схеме, источник импуль­сов постоянной длительности и переменной частоты вместе с резонанс­ным «контуром» используется вместо схемы ШИМ. В процессе работы из-за наличия ZС-контура через коммутатор или протекает ток, или к нему приложено напряжение, имеющие форму отрезков синусоиды. Фор­ма сигналов при переключении, в отличие от высокочастотных ШИМ схем, такова, что никогда не бывает одновременного присутствия напря­жения на коммутаторе и протекания через него тока. Поэтому потери коммутации пренебрежимо малы даже при высоких частотах.

Рис. 18.6 иллюстрирует резонансный режим работы. Сигнал ошибки получен также, как в источниках питания с ШИМ, то есть как разность между выходным и опорным напряжениями. Это напряжение рассогла­сования поступает на генератор, управляемый напряжением, выходной сигнал которого запускает ждущий мультивибратор. Схема модуляции, по существу, является преобразователем напряжение – частота. Им­пульсы ждущего мультивибратора, имеющие фиксированную длитель­ность и переменную частоту повторения, поступают на вход коммутато-ра(ов). Часто на выходе ждущего мультивибратора включают усилитель мощности, чтобы обеспечить более высокое мгновенное значение тока и низкое сопротивление. В качестве коммутаторов обычно применяется один или два мощных МОП-транзистора.

Выход коммутатора(ов) связан с резонансным Z С-контуром и выход­ным трансформатором. Видно, что амплитуда почти синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора, зави­сит от близости резонансной частоты ZС-контура к величине, обратной фиксированной длительности импульсов переменной частоты, поступа­ющих от коммутатора. Таким образом, стабилизацию постоянного вы­ходного напряжения можно реализовать с помощью частотной модуля­ции. Слишком высокая добротность Z С-контура будет препятствовать выделению мощности, а очень низкая вызовет чрезмерно большие пи­ковые значения тока в коммутаторе.

clip_image010

Рис. 18.6. Упрощенная схема резонансного стабилизированного источ­ника питания. В первом приближении можно считать, что здесь вместо широтно-импульсного модулятора в популярном ШИМ стабилизаторе применен преобразователь напряжение – частота.

Резонансный режим может быть получен разными путями: можно использовать или последовательный, или параллельный L С-контур. А номинальная рабочая частота может быть как ниже, так и выше соб­ственной резонансной частоты Z С-контура. В любом случае стабилиза­ция требует работы на падающем участке резонансной кривой. На рис. 18.6, индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора дос­таточно высока, так что практически не влияет на резонансную частоту Z С-контура.

Читайте также:  От чего зависит ток кабеля

Не всегда с первого взгляда на схему можно сказать, что использует­ся резонансный режим, потому что на принципиальной схеме могут от­сутствовать в явном виде индуктивность или емкость, а иногда и то и другое. В таких случаях используются паразитные реактивные сопротив­ления, такие как индуктивности рассеяния выходного трансформатора, а также паразитная или распределенная емкость. Иногда используется вы­ходная емкость коммутатора. В некоторых случаях параллельный колеба­тельный контур образуется вторичной обмоткой выходного трансформа­тора и либо подключенным к ней конденсатором, либо паразитной емкостью.

Для того, чтобы избежать недоразумений из-за неаккуратных выска­зываний в технической литературе, хорошо бы вспомнить следующие факты, относящиеся к резонансным стабилизаторам:

— В резонансном Z С-контуре колебания всегда происходят на его ре­зонансной частоте независимо от частоты импульсов, с помощью кото­рых осуществляется ударное возбуждение. Однако в большинстве случаев условия для существования свободных колебаний отсутствуют. На схему выпрямителя поступают полупериоды синусоидального колебания.

— Использовать можно как последовательные, так и параллельные ре­зонансные контуры. Иногда, на принципиальной схеме нет в явном виде катушки индуктивности или конденсатора, входящих в состав резонанс­ного контура. В таких случаях используется индуктивность рассеяния трансформатора или паразитная емкость. Имеются также схемы, в кото­рых конденсатор включается во вторичной обмотке выходного трансфор­матора, а не в первичной. Несколько схем показано на рис. 18.7.

— Одна из наиболее популярных схем использует последовательный резонансный контур, в котором выходную мощность получают от кон­денсатора через высокоомную первичную обмотку выходного трансфор­матора. Такой источник соответственно называется преобразователем или стабилизатором с последовательным резонансом и параллельной нагрузкой. К сожалению, иногда об этих устройствах говорят как о схемах с парал­лельным резонансом (рис. 18.7В).

— В идеале существует два способа получения почти нулевых потерь при коммутации. Один с переключением при нулевом токе, который яв­ляется наиболее популярным и допускает работу с частотами около 2 МГц, а другой с переключением при нулевом напряжении, позволяющий работать на частоте до 10-МГц. Переключение при нулевом токе использует для ударного возбуждения контура импульсы постоянной длительности и переменной частотой повторения. Фиксированный интервал времени между импульсами используются в режиме переключения с нулевым на­пряжением.

— Чаще всего (особенно при переключении с нулевым током) диапа­зон изменения частоты распространяется от низких частот до 80 % от ре­зонансной частоты контура. Это обеспечивает время, достаточное для того, чтобы ток катушки индуктивности уменьшился до нуля или стал от­рицательным. Импульс, определяющий время включенного состояния.

заканчивается, когда ток принимает отрицательное значение; момент его окончания не очень критичен. Отрицательный ток катушки индуктивнос­ти подразумевает, что ток теперь течет не через мощный МОП-транзис­тор, а через фиксирующий диод. Длительность импульса определяется RC-цепью, подключенной к управляющей ИС. Величины R и С удобно определять по графикам, предоставляемым изготовителем ИС. Типичные данные, иллюстрирующие выбор величины RC для определения длитель­ности импульса, а также частоты генератора показаны на рис. 18.8.

clip_image012

Рис. 18.7. Различные варианты извлечения мощности из резонансного контура. R обычно представляет собой комбинацию выпрямителя, фильтра и нагрузки. (А) Низкоомная нагрузка с выходным трансфор­матором и без него. (В) Высокоомная нагрузка с выходным трансфор­матором и без него. (С) Резонанс и извлечение мощности путем использования паразитных реактивностей.

clip_image014

Рис. 18.8. Примеры графиков для определения параметров резонанс­ного стабилизированного источника. Эти кривые соответствуют ИС GP605, но типичны для схем других изготовителей. (А) Допустимые комбинации емкости и сопротивления в зависимости от максимальной частоты генератора. (В) Допустимая емкость в зависимости от минимальной частоты генератора. (С) Комбинация резистора и емкости для выбранной длительности импульса. В зависимости от того, имеем дело со схемой А или В, ЛС-цепи будут разными. Gennum Соф.

— Надо быть уверенным, что «частота переключения» соответствует частоте, с которой импульсы поступают на резонансный контур. Не обя­зательно это частота генератора в управляющей ИС. В двухтактном им­пульсном источнике питания частота генератора будет вдвое выше часто­ты переключений. Для однотактных ИИП эти частоты обычно совпадают.

— К переключению без потерь приближается источник, работающий в прерывистом режиме. Это просто означает, что на каждый импульс дол­жен быть только один период колебаний в Z С-контуре. Практически это требует наличия «мертвого времени» между завершением одного цикла колебания и появлением следующего импульса. Вот почему частота по­вторения импульсов не должна приближаться к резонансной частоте

LC-контура. Удоалетворсние этого требования приводит к некоторому уменьшению выходной мощности.

— Стабилизация основана на том, что энергия, запасенная в ? С-кон­туре максимальна, когда частота повторения импульсов, осуществляющих ударное возбуждение ZC-контура, близка к его резонансной частоте. От­клонение частоты импульсов от этого оптимального условия, приводит к тому, что будет получена меньшая мощность. Поскольку резонансная ча­стота остается постоянной, то для осуществления стабилизации изменя­ется упомянутое выше «мертвое время».

— В резонансные источники питания часто вводят защиту по току, что делает их похожими на источники с ШИМ, имеющими такую защи­ту. Действительно, можно найти ссылку на работу резонансного источ­ника S режиме ограничения тока. Однако имеется существенное отличие. В системе с ШИМ учитывается нарастание тока, и ограничение макси­мального тока источника происходит в любой момент в пределах всего цикла. В резонансном источнике, учитывается часть синусоидального ко­лебания; это допускает ограничение максимального тока ИИП, но не мгновенно. 8 обоих случаях доспигается защита, но в резонансных ис­точниках не так быстро или точно, как в источниках с ШИМ, имеющих токовую защиту. В источниках с ШИМ слежение за величиной тока реа­лизует стабилизацию с прямой связью; в резонансных источниках считы-ватше величины тока приводит к использованию метода выключения.

— Последнее, но самое существенное, коммутаторы в резонансных ИИП не испытывают одновременного воздействия напряжения и тока во время процесса переключения. Это приводит к высокому к.п.д. со значи­тельным уменьшением р^ассеиваемой мощности в коммутаторах, что в свою О’щ^едь ©сдабляет температурные ароблемы, сптеобствуя высокой плотности компоновки элементов.

Источник



Особенности работы и применения резонансного трансформатора Тесла

В 1896 году 22 сентября был зарегистрирован уникальный прибор, разработанный известным сербским изобретателем и исследователем в сфере радиотехники, а также электроники Николой Тесла. Он получил название «Аппарат для генерации электрического тока высокой частоты», а работал по типу резонансного трансформатора. В наше время его называют именем этого гениального учёного. Первоначально данный прибор создавался для того чтобы передавать сигнал радиочастоты или же разряд на внушительные расстояния. Однако, сейчас он больше применяется для создания эффектных молний, а также коронарных зарядов. Практическое применение этот процесс нашёл в газоразрядных лампах, а также в поиске утечки вакуумных устройств. Катушка без какого-либо сердечника ферромагнитного или металлического испускает эти заряды высокого напряжения, которые смотрятся очень эффектно.

Принцип действия

Резонансный трансформатор Тесла изобретён на базе резонансных стоячих электромагнитных волн, появляющихся в витках катушки. Он состоит из первичной обмотки, какая содержит незначительное количество витков, а также конденсатора и искрового промежутка. Таким образом, формируя элемент искрового колебательного контура. Вторичная катушка выполнена просто из прямого провода. Если частота колебаний контура первичной обмотки совпадает с частотой стоячих волн вторичной то вследствие этого резонанса возникает электромагнитная стоячая волна, и поэтому между выходами катушки и возникает переменное напряжение высокого значения.

Катушка Теслы

Суть его работы можно сравнить с обычными детскими качелями. Если раскачать их до максимальной величины постоянно держа рукой, то достигаемая ими амплитуда будет прямо соразмерна усилию, которое предложено. А если раскачивать качели только движениями по ходу направления качели то усилий приложено будет намного меньше, а амплитуда будет расти. Так и резонансный трансформатор. Качели — вторичный контур, а в роли человека раскачивающего их -генератор, собранный в первичной обмотке, дающий разряд только в определённые моменты.

Читайте также:  Как измерить цифровым прибор силу тока

Конструкция и описание работы

Для того чтобы собрать простейший трансформатор Тесла необходимы:

  1. Входной трансформатор;
  2. Катушка индуктивности (она должна состоять из двух обмоток);
  3. Прерыватель или же разрядник (Spark Gap);
  4. Конденсатор;
  5. Терминал (на приведённой схеме он указан как выход).

схема резонансного трансформатора

Первичная обмотка, подключенная к конденсатору и разряднику, изготавливается из нескольких витков медной трубки, а также это может быть провод крупного сечения. Вторичная состоит из 1000 витков провода с меньшим сечением. Взаимоиндукция возникает между двумя катушками значительно меньше чем в трансформаторах, так как нет сердечника. Разрядник может быть исполнен в виде двух электродов с регулируемым расстоянием между ними. Очень важно чтобы они обладали отменным охлаждением.

Вторичная обмотка тоже представляет собой аналогичный контур, но для предотвращения пробоя на неё наносят слой лака или же эпоксидной смолы. Выход или терминал может изготавливаться из:

  • диска;
  • заточенного остро штыря;
  • сферы.

Форма терминала зависит от того, какой коронарный разряд будет воспроизводиться в резонансном трансформаторе. Основным условием работы данного устройства является настройка на одну резонансную величину. Настройка происходит либо изменением величины ёмкости конденсатора, либо числа витков из которых состоит первичная обмотки, до тех пор, пока не удастся добиться напряжения максимальной величины на выходе.

Весь процесс работает в две фазы:

  1. Заряд конденсатора, до тех пор, пока произойдёт пробой разрядника;
  2. Генерация колебаний высокой частоты.

Разрядник, который включен параллельно к источнику питания переменного тока, в какой-то момент в короткозамкнутом состоянии, тем самым выключая источник энергии от самого контура, для снижения потерь и достижения максимальной добротности и производительности.

Визуальные эффекты, появляющиеся при работе

Вырабатываемое во время работы очень высокое напряжения даёт возможность создания больших разрядов, похожих на молнии. Величина такого разряда измеряется несколькими сотнями киловольт, поэтому в принципе и появляются такие спецэффекты, на которые человек может смотреть часами. Сами по себе резонансные трансформаторы не нашли ни в быту, ни на производстве широкого практического применения, только лишь познавательное, а также эстетическое.

Среди газовых разрядов можно выделить следующие, эффектные и яркие виды:

  1. Коронные разряды. Конструкция выполнена в виде с сильно искривленной поверхности, вокруг которой возникает голубоватое свечение ионов воздуха.
  2. Стримеры. Протекают из терминала, а точнее, из самых острых его частей. Представляют собой неярко светящиеся разветвлённые каналы небольшой толщины, которые не уходят в землю. В принципе это обычная ионизация воздуха, создаваемая катушкой этого трансформатора.
  3. Спарки. Яркий искровой разряд, уходящий непосредственно в заземляющий контур или же предмет, представляющий собой пучок исчезающих в одно мгновение нитевидных полосок, которые сменяя друг друга.
  4. Дуговые разряды. Появляется при поднесении к терминалу заземлённого предмета появляется электрическая дуга.

Трансформатор Теслы

Многие производители специально вносят химические вещества в среду разряда, что позволяет менять их цвет. Например, это могут быть ионы бора (зелёный цвет), или же натрия (оранжевый). Также для работы этого аппарата характерно специфическое потрескивание, оно рождаются от совокупности ударных волн, которые расширяют искровые каналы.

Влияние на организм человека

Как и любой источник энергии, тем более такой огромной величины, трансформатор резонансный очень опасен, притом смертельно. Он может легко вызвать ожоги, которые плохо заживают. Однако, с точки зрения ожогов, устройства с искровым возбуждением менее опасны, но они имеют плохое воздействие на нервную систему, а в некоторых случаях даже могут привести к остановке сердца человека.

Учёными было определено, что женщины наиболее чувствительны к разрядам, поэтому они и дети, естественно, не должны приближаться к работающему резонансному устройству, генерирующему молнии.

Так что перед тем как купить в интернет магазине, или изготовить такое довольно опасное устройство дома, лучше позаботиться о своей безопасности и наблюдать данное яркое зрелище в музеях или специальных центрах (выставках) где проходят показы интересных и впечатляющих достижений электроники. Эксперименты с электрическим зарядом могут плохо кончиться.

Видео, поясняющее его работу

Источник

Резонансный генератор-трансформатор и его схема

Резонансный трансформатор может быть использован в качестве трансформатора в науке, в связи, в промышленности и в других применениях. Суть изобретения заключается в том, что первичная и вторичные обмотки трансформатора размещаются симметрично относительно друг друга на противоположных частях замкнутого магнитопровода трансформатора так, что расстояние между ними равно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными и вторичными обмотками трансформатора равно /8=c/8f, где c — скорость света, а f — рабочая частота трансформатора и цепь первичной обмотки выполняется в виде резонансного контура так, что индуктивность первичной обмотки является частью резонансного контура и резонансная частота контура соответствует рабочей частоте f трансформатора.

Суть полезной модели: Суть полезной модели заключается в том, что первичная и вторичные обмотки трансформатора размещаются симметрично относительно друг друга на противоположных частях замкнутого магнитопровода трансформатора так, что расстояние между ними равно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными и вторичными обмотками трансформатора равно /8=c/8f, где c — скорость света, а f — рабочая частота трансформатора и цепь первичной обмотки выполняется в виде резонансного контура так, что индуктивность первичной обмотки является частью резонансного контура и резонансная частота контура соответствует рабочей частоте f трансформатора.

Описание полезной модели: Полезная модель относится к области электрических трансформаторов, преобразователей энергии и может быть использовано в качестве трансформатора в науке, связи, промышленности и других применениях. Прототипом являются электрические трансформаторы и резонансные контуры/цепи.

На фиг.1 варианты конструкции резонансного трансформатора; на фиг.2 варианты электрической схемы резонансного трансформатора; на фиг.3 условные графики сигналов тока I1 и магнитного поля B1 в первичной обмотке L1 выходного напряжения U2 во вторичных обмотках L2, L2.1, L2.2: 1 — замкнутый магнитопровод трансформатора; L1 — первичные обмотки трансформатора; L2, L2.1, L2.2 — вторичные обмотки трансформатора; U1 — внешний источник питания; A1 — схема управления; C — электрический конденсатор резонансного контура; РК — резонансный контур; Rнагрузка — внешняя нагрузка.

На фиг.1 показаны варианты конструкции трансформатора: на замкнутом магнитопроводе (1) трансформатора намотаны первичная обмотка L1, а вторичная обмотка L2 (или несколько вторичных обмоток L2.1, L2.2 и т.д.) размещаются симметрично относительно первичной обмотки L1 на противоположных частях замкнутого магнитопровода (1) трансформатора на расстоянии равном 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными обмотками и вторичными обмотками равна 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора S= /8=c/8f, где c — скорость света ( 300000000 м/с), f — рабочая частота трансформатора. Форма магнитопровода (1) трансформатора может быть любой (П-, Ш-образные, кольцевые или броневые сердечники и т.д.), форма сечения магнитопровода так же может быть любой.

На фиг.2 показаны варианты базовых электрических схем резонансного трансформатора. Первичная обмотка L1 включается в резонансный контур так, что индуктивность первичной обмотки L1 является частью резонансного контура, при этом резонансный контур настроен на рабочую частоту f трансформатора. Схема резонансного контура может быть любой: параллельный резонансный контур или любой другой резонансный контур (РК) при обеспечении частоты резонансного контура равной рабочей частоте f трансформатора и максимальной добротностью контура. Внешний источник переменного напряжения U может быть любым с фиксированной или управляемой схемой управления (A1) выходной частотой переменного напряжения равной рабочей частоте f трансформатора. Резонансный контур (РК) может быть переменным с фиксированной или управляемой схемой управления (A1) резонансной частотой контура (РК) равной рабочей частоте f трансформатора. Схема (A1) может быть любой при обеспечении регулирования частоты внешнего источника переменного напряжения U (управляемый генератор и т.п.) и обеспечении регулирования частоты резонанса резонансного контура (РК) (переменный конденсатор и т.п.).

При подключении внешнего источника переменного напряжения U к резонансному контуру (РК) и первичной обмотке L1 резонансного трансформатора в резонансном контуре возникнут колебания на рабочей частоте f трансформатора, так как частота внешнего источника переменного напряжения U и резонансная частота резонансного контура (РК) совпадают и равны рабочей частоте f трансформатора. Амплитуда колебаний напряжения в резонансном контуре будет равна амплитуде переменного напряжения U внешнего источника питания, а ток I1 циркулирующий в резонансном контуре и первичной обмотке L1 будет больше тока потребления от источника питания U и определяется добротностью резонансного контура (РК), что соответствует общеизвестному принципу работы параллельного резонансного контура. Ток потребления (мощность потребления) из источника питания U требуется для компенсации активных потерь в резонансном контуре (электрическое сопротивление и другие потери в элементах контура). Мощность в первичной обмотке L1 будет равна P=UI1, где U — напряжение источника питания, I1 — ток циркулирующий в резонансном контуре.

Читайте также:  Источник электрического тока например

В момент времени t0 ток I1 в первичной обмотке L1 начинает возрастать (фиг.3) синхронно с током I1 начинает возрастать магнитное поле B1, создаваемое этим током. Магнитное поле B1 начинает распространяться со скоростью света, а так как вторичная обмотка B2 расположена на расстоянии 1/8 длины волны рабочей частоты f трансформатора, то магнитное поле B1 достигает вторичной обмотки L2 в момент времени t1 (наклонный курсив на графиках) и во вторичной обмотки L2 с момента времени t1 появляется ЭДС, которое создает напряжение U2 во вторичной обмотке L2. В момент времени t2 ток I1 в первичной обмотке L1 и магнитное поле B1 имеют максимальное значение, а магнитное поле B1 которое достигло вторичной обмотки L2 соответствует току I1 в первичной обмотке L1 на момент времени t1 (наклонный курсив на графиках), т.е. I1maxSin8( /4) и B1maxSin( /4). С момента времени t2 ток I1 в первичной обмотке L1 и магнитное поле B1 начинают уменьшаться. Магнитное поле B1 начинает «схлопываться» обратно в первичную обмотку L1, т.е. в момент времени t2 магнитное поле начинает уменьшаться одновременно в первичной обмотке L1 и во вторичной обмотке L2. Соответственно напряжение U2 во вторичной обмотке L2 тоже начинает уменьшаться. Ток I2 во вторичной обмотке L2 создает магнитное поле B2, которое направлено встречно магнитному полю B1. С момента времени t1 магнитное поле B2 начинает возрастать и распространяться со скоростью света, а так как первичная обмотка L1 расположена на расстоянии 1/8 длины волны рабочей частоты f трансформатора, то магнитное поле B2 достигает первичной обмотки L1 в момент времени t2, а так как в этот момент времени t2 магнитное поле B1 начинает уменьшаться во вторичной обмотке L2, то соответственно начинает уменьшаться ток I2 во вторичной обмотке L2 и начинает уменьшаться магнитное поле B2. Следовательно магнитное поле B2 достигнув первичной обмотки L1 в момент времени t2 сразу начинает уменьшаться не оказывая влияния на первичную обмотку L1. К моменту времени t3 магнитное поле B1 полностью покидает вторичную обмотку L2 и продолжает уменьшаться до нуля к моменту времени t4/t0.

Максимальная ЭДС (напряжение U2) во вторичной обмотке L2 соответствует току I1 в первичной обмотке L1 в момент времени t1, т.е. I1maxSin( /4), соответственно коэффициент трансформации резонансного трансформатора будет пропорционально меньше и равен k=W1Sin( /4)W2=w1/ 2w2, где w1 — количество витков в первичной обмотке L1, w2 — количество витков во вторичной обмотке L2.

Наибольшая эффективность резонансного трансформатора достигается при расстоянии между первичными и вторичными обмотками трансформатора равном точно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, но расстояние может быть в пределах от 1/8 до 1/4 длины волны рабочей частоты трансформатора с ухудшением эффективности до нуля при 1/4 длины волны или больше, т.к. магнитное поле B1 первичной обмотки L1 просто не будет «успевать» достичь вторичной обмотки L2 и создать в ней ЭДС (напряжение U2). При расстоянии меньшем 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, магнитное поле вторичной обмотки L2 начнет оказывать влияние на первичную обмотку L1 и соответственно будет изменяться резонансная частота резонансного контура, что так же ухудшает эффективность работы резонансного трансформатора.

Ближайшим аналогом являются стандартные трансформаторы переменного тока (http://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор).

Преимуществом резонансного трансформатора является то, что в трансформаторе отсутствует влияние вторичных обмоток на первичную обмотку.

Вторым преимуществом является то, что он имеет малые массогабаритные размеры.

Резонансный трансформатор, состоящий из замкнутого магнитопровода с первичными и вторичными обмотками на нем, отличающийся тем, что первичные и вторичные обмотки трансформатора размещаются симметрично относительно друг друга на противоположных частях замкнутого магнитопровода трансформатора так, что расстояние между ними равно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными и вторичными обмотками трансформатора равно л/8=c/8f, где с — скорость света, a f — рабочая частота трансформатора, цепь первичной обмотки выполняется в виде резонансного контура так, что индуктивность первичной обмотки является частью резонансного контура и резонансная частота контура соответствует рабочей частоте f трансформатора.

Источник

Резонансный блок питания своими руками. LLC резонанс

Тема довольно-таки сложноватая, но Роман (автор данной самоделки, YouTube канал «Open Frime TV») постарался объяснить все это максимально простым языком.

Вообще, идея собрать резонансный блок питания, давненько зародилась в голове автора, но постоянно отталкивала мысль о том, что данная топология достаточно сложная. И вот, собравшись с силами, было решено все-таки заняться этим блоком.

Итак, давайте посмотрим, что же представляет из себя данный блок питания.


Это индуктивность, которая появляется вследствие намотки трансформатора и не относится к индуктивности первичной или вторичной обмотки, а выступает как отдельный контур, включенный последовательно с первичной обмоткой.

Ничего не напоминает? Правильно, это похоже именно на тот дроссель, который необходим для создания резонансного контура.
В общем сейчас же нам нужно увеличить индуктивность рассеивания трансформатора. Сделать это можно намотав трансформатор немного непривычным способом, а именно разделив каркас на две части.

Такая разница обуславливается работой резонансного контура. Также за счет выброса самоиндукции транзисторы могут переключаться в нуле напряжения, тем самым снижая потери при коммутации и вследствие чего нагрев.

Если контур грамотно настроен, то ключи можно оставить даже без радиатора, так как их нагрев в таком случае минимальный.
Теперь давайте разберем плюсы и минусы такой топологии. Сперва поговорим о минусах.

1. Диапазон выходных напряжений меньше чем у ШИМ. Это обуславливается тем, что регулировка происходит частотой, поэтому получать на выходе широкий диапазон напряжений просто невозможно, так как при выходе из определенной области частоты мы можем просто свалиться в режим переключения при нулевом токе. Или же наоборот, при слишком большом увеличении частоты переведем блок в режим постоянного тока, при котором диоды перейдут в жесткое переключение.

2. В изготовлении и настройке сложнее ШИМ. Чтобы собрать и настроить данный блок питания скорее всего придется провозиться и возможно не один день.



Также автор не советует устанавливать транзисторы и диоды на один радиатор, так как транзисторы начинают нагреваться от диода. Если будете разводить самостоятельно, то не повторяйте эту ошибку.

Далее методом ЛУТ была изготовлена печатная плата и запаяны все компоненты кроме трансформатора, его еще предстоит намотать.

И на последок осталось самое сложное — намотка трансформатора. Это безусловно один из самых сложных моментов в данном проекте. Для расчета трансформатора потребуется программа Старичка (ссылка).

В окне программы вводим необходимые данные такие как, входные/выходные напряжения и мощность. А дальше необходимо подбирать частоту и зазор таким образом, чтобы получить стандартное значение ёмкости конденсатора, так как это единственное на что мы не можем повлиять.





Когда зазор подобран замыкаем все выходные обмотки между собой и замеряем индуктивность еще раз, это и будет как раз индуктивность рассеяния. Если она отличается от расчетной больше чем на 5-10%, то придется начинать сначала и перематывать трансформатор. Это действие будет необходимо повторять до тех пор, пока не угадаете с намоткой.

Когда все готово, запаиваем трансформатор на свое место и на этом сборка завершена.



Когда мы близко подбираемся к резонансной частоте, то можно наблюдать резкий скачек выходного напряжение, такое в блоках ШИМ получить невозможно.

Теперь подключим осциллограф и посмотрим, что у нас происходит в контуре.

Источник