Предыстория
При сборке блока питания на 5 выходов был использован тороидальный трансформатор на 40VA, который был в наличии. Номинальное напряжение его вторичной обмотки 16.8V (напряжение холостого хода 18V). В результате выпрямления получалось около 25V на холостом ходу или около 20V при токе нагрузки 1A. В случае двухполярного питания +12V/-12V на стабилизаторах блока рассеивается около 16W тепла. Это не проблема для системы охлаждения, которая может рассеивать до 75W тепла, но вентилятор включается чаще чем хотелось бы.
Чтобы уменьшить выделение тепла без радикальной переделки конструкции блока питания достаточно:
уменьшать напряжение существующей вторичной обмотки чтобы получить 14-15V с выхода выпрямителя под нагрузкой.
намотать дополнительную вторичную обмотку чтобы получить одну с отводом от середины и заменить однополупериодный выпрямитель на диодный мост.
Для надёжной работы линейных стабилизаторов L78xx/L79xx напряжение на входе должно быть выше чем напряжение стабилизации на величину "dropout voltage". В даташите на L7812C для "dropout voltage" указано типичное значение 2V а для L7912C это 1.1V. При этом не указаны максимальные значения, но думаю для +14.5V и -14.5V должно работать стабильно. Теперь нужно узнать какое напряжение должна выдавать вторичная обмотка трансформатора чтобы получить +14.5V и -14.5 на фильтрующих конденсаторах.
Расчёт обмоток трансформатора
Чтобы уменьшить напряжение вторичной обмотки нужно измерить напряжение вторичной обмотки под максимальной нагрузкой. Намотать 10-20 витков (чем больше витков, тем точнее будет результат) изолированного провода того же или большего сечения что и в существующей вторичной обмотке. Измерить выходное напряжение под максимальной нагрузкой и разделить измеренное значение на количество витков. Поделить величину напряжения, на которое хотите уменьшить вторичную обмотку, на полученное значение напряжения на один виток и получить количество "лишних" витков. Отмотать это количество витков и проверить под максимальной нагрузкой.
Под рукой не было провода подходящего сечения, но был эмалированный провод меньшего диаметра, который остался с переделки другого трансформатора. Чтобы получить необходимое сечение наматывал в два провода. Получилось 13 витков, которые выдавали 1.84V на холостом ходу и 1.76V при токе 0.65A. На больший ток не хватило мощных сопротивлений, а электронная нагрузка отказалась работать на таком низком напряжении. Если разделить 1.76 на 13, то получается около 0.135V на один виток.
Теперь я знаю сколько нужно отматывать витков чтобы уменьшить переменное напряжение на вторичной обмотке, но не знаю каким оно должно быть чтобы получить под нагрузкой 14.5V с выхода выпрямителя. Формула Vac * sqrt(2) работает только для холостого хода, но под нагрузкой нужно учитывать как минимум потери на диодах выпрямителя. Или Vdc = Vac * sqrt(2) - Vbr, где Vac - переменное напряжение, Vdc - постоянное напряжение, Vbr - падение напряжения на диодах моста и следовательно Vac = (Vdc + Vbr) / sqrt(2).
Для проверки подключил ко вторичной обмотке трансформатора диодный мост (KBPC1010) с электролитическим конденсатором 10000uF. К конденсатору подключена электронная нагрузка, которая потребляет 1A постоянного тока. Напряжение на конденсаторе составило 20.37V (Vdc), а на входе диодного моста 17.26V (Vac). Падение напряжения на одном диоде зависит от тока, но судя по графику в даташите KBPC1010 при токе 1A это около 0.82V или 1.64V на обоих диодах.
Тогда при Vac = 17.26V должно получиться Vdc = Vac - Vbr = 17.26 * sqrt(2) - 2 * 0.82 = 22.769V но в реальности есть только 20.37V. Куда-то потерялось больше 2V!
Т.к. я не силён в теории расчёта выпрямителей, то попросил помощи коллективного разума. Мне подсказали померить реальное падение напряжения на диодах моста и учесть потери на вторичной обмотке трансформатора.
Когда диодный мост подключён к трансформатору измерять падение напряжения на диодах нужно осциллографом. В этом случае будет видно два напряжения относительно нуля: "высокое" - напряжение на диоде когда тот закрыт и "низкое" когда диод открыт.
При масштабе 5V на клетку осциллограф показывает -1.4V что и является падением на открытом диоде, но это грубая оценка. Уменьшаю до 500mV на клетку и результат уже -0.98V вместо -1.4.
Время нарастания напряжения 2.5ms это время зарядки фильтрующего конденсатора.
Повторил измерения для всех диодов и вышло около 0.98V вместо 0.82V. Пересчитываю с новым значением Vdc = 17.26 * sqrt(2) - 2* 0.98 = 22.4V. Результат не сильно изменился, но ещё остаются потери на обмотке трансформатора.
Сопротивление обмотки трансформатора измерил самодельным миллиомметром - получилось 0.34Ом. При токе в 1A там будет теряться 0.34V. Это ещё уменьшает ошибку, но не сводит её к нулю.
Ещё мне пояснили что ток заряда конденсатора заметно больше чем потребляет нагрузка и его нужно измерить чтобы правильно посчитать потери на обмотке трансформатора. Подключил сопротивление 0.1Ом между вторичкой и диодным мостом и померил напряжение на ней.
Вышло 0.4V а значит во вторичной обмотке течёт ток 4A. Ещё раз считаю Vdc = Vac * sqrt(2) - Vbr - Vtr = 17.26 * sqrt(2) - 2 * 0.98 - 0.4 / 0.1 * 0.34 = 21V где Vtr - падение напряжения на обмотке трансформатора.
Полученная разница между вычисленным (21V) и измеренным (20.37V) напряжениями уже 0.6V и меня устраивает такая погрешность. Обозначу эти 0.6V как Vloss и добавлю в вычисления
Сейчас пробую посчитать какое Vac нужно чтобы получить 14.5V на конденсаторе: Vac = (Vdc + Vbr + Vtr+Vloss) / sqrt(2) = (14.5 + 2 * 0.98 + 0.4 / 0.1 * 0.34+0.6) / sqrt(2) = 13V. Это напряжение которое должно быть на вторичной обмотке под нагрузкой.
Теперь вычисляем количество витков, которые нужно отмотать для получения 13V:
(17.26 - 13) / 0.135 = 31
В итоге нужно снять 31 виток чтобы уменьшить напряжение нагруженной вторичной обмотки с 17.26V до 13V, которые в итоге должны выдавать 14.5V на выходе выпрямителя. А для дополнительной обмотки нужно намотать 96 витков (13 / 0.135).
Перемотка
С уменьшением количества витков вторичной обмотки особых сложностей нет. Нужно смотать на челнок верхний слой изоляции трансформатора (в моём случае это была прозрачная лавсановая лента). Далее отмотать 31 виток и, не отрезая излишек провода, проконтролировать напряжение вторичной обмотки под нагрузкой. У маломощных трансформаторов оно проседает под нагрузкой и может оказаться ниже расчётного значения. Если всё в порядке, то лишнее отрезается, наматывается изоляция и можно приступать к намотке новой вторичной обмотки.
Для вторичной обмотки подобрал лакированный провод аналогичного сечения. Посчитал длину с учётом того, что намотать нужно 96 витков. С учётом запаса на "кривизну" намотки вышло около 12 метров. После намотки новой обмотки снова контроль напряжения под нагрузкой не отрезая излишек. В этом случае легко домотать ещё несколько витков если вышло меньше ожидаемого. Если поспешить, то придётся напаивать провод и следить чтобы место пайки не попало на ребро.
В итоге получилось довольно точно
Разница в напряжениях получившихся вторичных обмоток всего 0.11V, но это может быть обусловлено погрешностью измерения моих мультиметров (ZT-102 и ZT-301 обещают ±(1.0%+3) для AC).
Для проверки под нагрузкой вторичные обмотки по очереди подключены к электронной нагрузке
Под нагрузкой выдаёт 13.16V переменного напряжения, а на выходе выпрямителя получается 15.23V при токе 1A.
Под нагрузкой выдаёт ровно 13V переменного напряжения и 14.86V на выходе выпрямителя при токе 1A. Разница выпрямленного напряжения под нагрузкой составила 0.37V.
Теперь по моментам с которыми столкнулся:
напряжение обмотки №1 немного выше ожидаемого, т.к. не учёл уменьшение потерь при сматывании "лишних" витков. Это можно было посчитать зная удельное сопротивление меди, диаметр и длину убираемого провода.
если намотать всю длину провода на челнок, то он может не пройти в окно трансформатора. Мне пришлось сжать провод чтобы протянуть челнок в самом начале.
нужно учитывать что теперь габаритную мощность (40VA) нужно делить на обе обмотки. В случае 13V максимальный ток будет 1.5A.
добавлено 2024-04-03: нужно учитывать разброс сетевого напряжения. В сетях с номинальным напряжением 230V оно может быть от 207V до 253V.
Комментарии (30)
SergeyMax
02.04.2024 09:34Сопротивление обмотки трансформатора измерил
На будущее: внутреннее сопротивление трансформатора — это не только сопротивление вторичной обмотки, но и как минимум первичной.
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34Если судить по количеству параметров в spice модели трансформатора, то там как минимум индуктивности и сопротивления всех обмоток, коэфициент передачи, параметры насыщения сердечника и т.д. Но я ещё на на том уровне чтобы всё это учесть.
sim2q
02.04.2024 09:34На будущее
У БЖТ нет будущего :)
zhogar
02.04.2024 09:34напряжение обмотки №1 немного выше ожидаемого, т.к. не учёл уменьшение потерь при сматывании "лишних" витков. Это можно было посчитать зная удельное сопротивление меди, диаметр и длину убираемого провода.
Наверняка разность напряжений, еще не равномерность намотки вторичных обмоток сыграла свою роль..
zatim
02.04.2024 09:34+2Зря так много отмотали. Не учли в расчетах напряжение в сети, а оно может гулять, особенно в сельской местности. Надо было проводить измерения не только под нагрузкой, а еще и при минимальном допустимом напряжении в сети - 230-10%=207 В. В другом месте напряжение в сети может оказаться меньше и запаса напряжения для стабилизатора уже может не хватить, ваш прибор может перестать нормально работать.
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34+1Не учёл этот момент. Нужно будет добраться до ЛАТР и проверить.
aax
02.04.2024 09:34+1После такой переделки сам блок питания, в реальных боевых условиях нужно питать стабилизированной синусоидой, что в целом удовольствие недёшевое, в том числе и смысле дополнительного снижения КПД.
При повышении сетевого напряжения до тех же 285 вольт, которые в пределах допусков для энергоснабжающей организации ваш БП ждёт сильный "неожиданный" нагрев.
Отмотав первичку Вы убрали запас в "плюс" для входного напряжения трансформатора. Отмотав вторичку, Вы убрали запас для стабилизации при просадках напряжения.
Очередная реинкарнация классики "как не нужно делать". Высокий КПД в реальном диапазоне входных напряжений это либо чисто импульсный блок, либо какскадирование импульсного и аналогового стабилизатора.
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34+1После такой переделки сам блок питания, в реальных боевых условиях
нужно питать стабилизированной синусоидой, что в целом удовольствие
недёшевое, в том числе и смысле дополнительного снижения КПД.Тут нужно пояснить из чего следует такое заключение.
При повышении сетевого напряжения до тех же 285 вольт, которые в
пределах допусков для энергоснабжающей организации ваш БП ждёт сильный
"неожиданный" нагрев.Какой стандарт позволяет подавать потребителю 285В? Я в курсе только про 230±10%. Если подать потребителям 285V переменного напряжения, то доброй части импульсных блоков поплохеет - их входные конденсаторы обычно на 400V.
Отмотав первичку Вы убрали запас в "плюс" для входного напряжения
трансформатора.Где вы прочитали про отмотанную первичку?
Отмотав вторичку, Вы убрали запас для стабилизации при просадках напряжения.
Нехватка напряжения может сказаться только под максимальной нагрузкой. Что не факт, т.к. нагруженный выпрямитель выдаёт больше 15V, а при меньшей нагрузке до 18V.
aax
02.04.2024 09:34Если судить по количеству параметров в spice модели трансформатора, то там как минимум индуктивности и сопротивления всех обмоток, коэфициент передачи, параметры насыщения сердечника и т.д. Но я ещё на на том уровне чтобы всё это учесть.
Вторичку вы уже учли.
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34+1У вас странная интерпретация моих слов. Тут ни разу не говорится о планах перематывать первичку трансформатора.
aax
02.04.2024 09:340) В ответах на комментарии к пост, Вы пояснили по сути, что до "оптимизации" первички у вас просто руки еще не дошли.
1). Распостраненная ошибка новичка это отождествлять предельно допустимые параметры с рабочими. 207 - 253 В это идеальный мир розовых пони. "Взрослые" блоки питания для прозы жизни это до 285 вольт(посмотрите шильдики на досуге), защитная апаратура(реле контроля напряжения) тоже - обычно настраиваются на этот порог по верху.
2). Просадки сетевого напряжения не зависят от того какую нагрузку к блоку Вы подключили. Нет запаса по вторичке напряжение на выходе БП и нахолостом ходу просядет.
3). Между "норма на максимуме"(253 вольта) и "аварийное превышение"(обычно 285 вольт) есть допуск. Примерно как допуск нештрафуемое превышение скорсти. Качественный блок должен уметь это безболезненно для себя и нагрузки отработать. Впрочем как и дупуски "в минус".
P.S. Лет 15 назад приравнивать рабочий дипазон входных напряжений к предельно допустимому было принято у инженеров Поднебесной. Теперь те времена прошли - партия поставила задачу делать качественно.
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34+1В ответах на комментарии к пост, Вы пояснили по сути, что до "оптимизации" первички у вас просто руки еще не дошли.
Если не затруднит, прикрепите ссылку на мой комментарий в котором я такое писал. Я не припоминаю таких планов.
Распостраненная ошибка новичка это отождествлять предельно допустимые параметры с рабочими. 207 - 253 В это идеальный мир розовых пони.
Не спорю. В жизни бывает всякое ...
"Взрослые" блоки питания для прозы жизни это до 285 вольт(посмотрите
шильдики на досуге), защитная апаратура(реле контроля напряжения) тоже - обычно настраиваются на этот порог по верху.Можно пример такого взрослого блока питания из потребительского сектора? Просто любопытно стало.
Просадки сетевого напряжения не зависят от того какую нагрузку к блоку Вы подключили. Нет запаса по вторичке напряжение на выходе БП и
нахолостом ходу просядет.Так а кто запрещает намотать себе иначе для своих условий работы? Я описал свою подход и на какие "грабли" наступил. Не считаю себя истиной в последней инстанции.
aax
02.04.2024 09:34Если судить по количеству параметров в spice модели трансформатора, то там как минимум индуктивности и сопротивления всех обмоток, коэфициент передачи, параметры насыщения сердечника и т.д. Но я ещё на на том уровне чтобы всё это учесть.
Вторичку Вы уже учли вполне определенным "оптимальным" образом.
Делать свои хоббийные блоки не качественно, никто запрещает, это да. Хозяин-барин.
******
Бюджетный, качественный, китайский блок - входное напряжение AC: 88...264 В (Номинальное: 230 В) https://www.chipdip.ru/product/add-155a Поделки до 240 вольт, справедливости ради тоже до сих встречаются, но они горят как спички.
Стабилизаторы(стабилизаторы ключевое!) сетевого напряжения SINTEC(Надежные по отзывам) https://www.chipdip.ru/catalog-show/ac-voltage-stabilizers?p.0=Suntek
Все на входное напряжение 120-285В. SINTEC-ки, замечу, как раз на торроидальных трансформаторах и делают.
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34Бюджетный, качественный, китайский блок - входное напряжение AC: 88...264 В
Т.е. "взрослый" блок питания на 285V переменки найти не смогли?
Вторичку Вы уже учли вполне определенным "оптимальным" образом.
Делать свои хоббийные блоки не качественно, никто запрещает, это да. Хозяин-барин.
Вы довольно категоричны в своих суждениях. В целом ваши комментарии не несут особой ценности.
zatim
02.04.2024 09:34+188...264 В - это как раз крайние значения номинальных напряжений сети 100 и 240 В. Сейчас появилась возможность делать универсальные блоки питания для всех стран со всем спектром питающих напряжений чтобы не плодить номенклатуру и упростить логистику. То есть, это вовсе не показатель "взрослости", а показатель универсальности. Ну и, само собой, о качестве такого блока питания нельзя судить по этому критерию, это разные оперы. Если прибор делается только для себя, для эксплуатации в конкретной стране, где гарантированный диапазон напряжений известен, то городить огород и закладывать запас не имеет смысла. Тем более что обычный трансформатор изготавливается на определенное напряжение, например 220 В. Включение его на 240 В может привести к повышенному току ХХ и разогреву, что может оказаться недопустимым.
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34+1Я добавил в список "граблей" необходимость учитывать разброс сетевого напряжения. Переписывать пост не планирую т.к. комментарии станут не релевантными.
aax
02.04.2024 09:341). Т.е. "взрослых" и массовых блоков питания на 285V переменки более чем, начиная с сетевых адаптеров для светодиодных лент. https://www.chipdip.ru/product/xlg-200-l-a Их собенность, в том что в отличии от прошлого примера, они стоят не в шкафах, где уже есть первичная защита, а включаются в сеть непосредственно - без защиты колебаний напряжения. Если Вы считаете, что их "надо искать", то Вы не совсем в теме про БП.
SINTEC-ки это тоже то, что по определению включается в сеть до защиты от реальных колебаний напряжения.
2). Охотно соглашусь, что параметры реальных "боевыех" БП и стабилизаторов не представляют для Вас особой ценности, это не ваше у Вас свой путь.
trikot
02.04.2024 09:34Домотка дополнительной обмотки на транс, или уменьшение напряжения на вторичке это повод написать статью? Сам всегда так делаю, но не подозревал что это может вызвать интерес, так как это слишком очевидно.
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34Статья про расчёты трансформатора под выпрямитель. Я не знал как это считать и поскольку получилось, то решил поделиться.
trikot
02.04.2024 09:34Я в советские годы находил информацию по этому вопросу, а уж в век интернета...
tataranovich Автор
02.04.2024 09:34Если поделитесь ссылкой на такую информацию, то я её прикреплю к посту.
trikot
02.04.2024 09:34Ну мне то зачем ее искать? Я и так знаю, как это делать. Просто не думал что так сложно информацию найти.
vesowoma
Спасибо, интересно. Немного непонятно:
Что значит "сжать" в данном случае? И не нашел в статье одного из главных параметров - толщины провода вторичной обмотки.
tataranovich Автор
Толщина провода около 1.12мм. Полностью намотанный челнок вышел слишком пухлым и не пролазил в окно трансформатора. Пришлось акууратно сдавить проволоку на челноке чтобы пролезло. Если нужно мотать много толстой проволоки, то стоит разделить её на две части и сращивать.
red_dragon
Можно сделать челнок длиннее и шире, а провод наматывать на него не в навалку, а виток к витку.
tataranovich Автор
С тороидом не выйдет сделать челнок шире его окна. А намотка виток к витку предполагает укладку внатяг и риск повредить изоляцию провода при малом радиусе изгиба.
red_dragon
Ну, совершенно логично, что челнок невозможно сделать шире внутреннего диаметра обмотки тора. Зачем это писать, непонятно. Здесь вроде не собрание дебилов. Намотка виток к витку не более в натяг, чем намотка в навал. Просто аккуратнее, но времени отнимает больше.