– Програма випуску;

– умови експлуатації та ін.

Крім того, за результатами аналізу технічного завдання необхідно обрати і обґрунтувати:

– тип (вид) намотки;

– конструкцію каркасу;

– матеріали сердечника та екрана.

Розрахунок електричних і конструкційних параметрів

5.3.1 Визначення розмірів котушки

Розрахунок кількості витків і визначення розмірів котушки виконують за формулами, необхідними для розрахунку котушки без сердечника з урахуванням параметрів, що вносяться сердечником або екрануванням.

Розрахунок кількості витків одношарової екранованої котушки з магнітним осердям рекомендуємо виконувати згідно з методом, викладеним у [3].

Під час використання магнітних сердечників слід враховувати, що вони характеризуються такими параметрами:

1) відносною (діючою) магнітною проникністю;

2) коефіцієнтом використання магнітних властивостей матеріалу;

3) відносною добротністю, тобто ступенем збільшення добротності котушки за наявності сердечника;

4) втратами у магнітній складовій та у діелектрику;

5) стабільністю;

6) діапазоном робочих частот.

Для магнітних сердечників із початковою магнітною проникністю [3, табл. 4–7] є відповідне значення відносної магнітної проникності[3, табл. 4–8].

Відносна магнітна проникність є відношенням індуктивності даної котушки із сердечником до індуктивності цієї ж котушки, але без сердечника:

(5.52)

Ця величина залежить від початкової магнітної проникності матеріалу, форми і розмірів сердечника та котушки, відношення між їхніми розмірами, а також від частоти. Чим більша проникність магнітного матеріалу, чим нижча частота і чим ближче до витків котушки знаходиться осердя, тим вища його відносна проникність. Відношення відносної проникності сердечника до начальної проникності магнітного матеріалу можна назвати коефіцієнтом використання магнітних властивостей:

. (5.53)

Очевидно, що чим коефіцієнт ближчий до 1, тим повніше використані магнітні властивості матеріалу.

Індуктивність котушки із сердечником в раз більше індуктивності тієї ж котушки без сердечника. Тому необхідна індуктивність може бути отримана при меншій кількості витків, тобто при меншій довжині, а звідси, і опорі проводу.

Відношення добротності котушки із сердечником до добротності цієї ж котушки, але без сердечника, називають відносною добротністю . Вона характеризує втрати, що вносяться сердечником у котушку. Це відношення залежить від коефіцієнта використання магнітних властивостей матеріалу, втрат і у більшій мірі – від частоти. Зі збільшенням частоти у сердечнику зростають втрати, а проникність падає, що призводить до падіння добротності.

Можна вважати, що добротність котушки із сердечником в раз більше добротності котушки без сердечника.

Наявність сердечника впливає на стабільність котушки через зміни його проникності. Цей вплив також відбивається тим менше, чим менше .

Грамотно розроблена конструкція котушки із немагнітним сердечником завжди стабільніша у порівнянні з котушкою, що має магнітний сердечник. Звідси, якщо завдання розробника – стабільна котушка, то слід внести в неї немагнітний сердечник, при цьому добротність котушки значно зменшиться. Для зниження впливу немагнітного сердечника на добротність котушки, слід використовувати метали з високою електропровідністю.

За заданим значенням індуктивності визначається розрахункове значення індуктивностікотушки без сердечника з урахуванням необхідного підстроювання:

(5.54)

Враховується вплив екрана за допомогою коефіцієнта зв’язку, який є функцією співвідношення діаметра котушки та діаметра екрана. Для забезпечення стабільності індуктивності це співвідношення має обиратися відповідно до умови Надмірне збільшення цього співвідношення призведе до зростання габаритних розмірів котушки.

Діаметр екрана дорівнює

. (5.55)

Якщо екран має квадратний перетин, його сторона знаходиться так:

(5.56)

де – коефіцієнт.

Другою величиною, яка впливає на конструктивні розміри котушки, є параметр , який є функцією співвідношення довжини намотування котушкита діаметра намотування. Для екранованих котушок оптимальним є співвідношення.

Для визначення співвідношення за графіком [3, рис. 4–26] знаходитьсязначення , після чого визначається значення к_зв:

. (5.57)

Розрахункове значення індуктивності з урахуванням екрану знаходиться як:

. (5.58)

Для компенсації впливу екрана розрахункове значення індуктивності має складати:

. (5.59)

Для намотування котушки діаметр проводу обирається з урахуванням ізоляції [3, табл. П. 6].

. (5.60)

Коефіцієнт нещільності для даного значеннявизначається за таблицею [3, табл. 4–4].

Далі визначається кількість витків котушки, які припадають на одиницю довжини намотування :

. (5.61)

Параметр який визначає співвідношення довжини та діаметра намотування, розраховується за формулою:

. (5.62)

За графіком [3, рис. 4-10] визначається для значення.

Довжина намотування котушки буде складати:

. (5.63)

При суцільному намотуванні фактична геометрична довжина котушки складатиметься як:

. (5.64)

За графіком [3, рис. 4-6] знаходиться значення поправкового коефіцієнта для.

Фактична розрахункова індуктивність котушки дорівнює:

. (5.65)

Кількість витків коректується з урахуванням величини фактичної індуктивності:

(5.66)

5.3.2. Розрахунок оптимального діаметра проводу

Розрахунок оптимального діаметра проводу виконується графоаналітичним способом. Згідно з графіком у [3, рис. 4–13] для співвідношення та кількості шарів намотуваннянеобхідно визначити величину поправкового коефіцієнта.

Допоміжний коефіцієнт розраховується за формулою:

. (5.67)

Допоміжний параметр розраховується за формулою:

. (5.68)

де к – коефіцієнт, який визначається за графіками[3, рис. 4–13 або 4–14].

Коефіцієнт знаходиться за відомою величиною[3, рис. 4-16].

Тепер можна розрахувати оптимальний діаметр проводу.

(5.69)

Довжина проводу розраховується за формулою:

, (5.70)

де N – кількість витків,

–середній радіус, який обчислюється за формулою:

. (5.71)

5.3.3 Розрахунок добротності котушки індуктивності

Окрім індуктивності, котушка має ряд інших параметрів, що характеризують її електричні властивості. Це, наприклад, добротність і температурний коефіцієнт індуктивності, що визначають частотні і температурні властивості відповідно.

Для розрахунку добротності котушки індуктивності необхідно попередньо визначити сумарний опір втрат, що визначається за формулою:

(5.72)

де – опір проводу струму високої частоти, Ом;

–опір втрат, який вносить екран котушки, Ом;

–опір втрат, який вносить сердечник, Ом (розрахований за формулою (5.69));

–опір втрат у діелектрику каркаса, Ом.

Опір проводу струму високої частоти:

. (5.73)

Опір втрат, який вносить екран:

(5.74)

Для обчислення опору втрат, який зумовлений втратами у матеріалі каркаса, необхідно розрахувати значення ємності :

. (5.75)

Значення дорівнює:

. (5.76)

Опір втрат, зумовлений діелектричними втратами у матеріалі каркаса, розраховується за формулою:

(5.77)

де – тангенс кута діелектричних втрат.

У цьому випадку сумарний опір втрат котушки індуктивності складатиме:

. (5.78)

Добротність котушки індуктивності тепер можна визначити за формулою:

. (5.79)

5.3.4 Розрахунок температурної стабільності індуктивності

Температурний коефіцієнт стабільності індуктивності (ТКІ) представляє собою суму декількох доданків та визначається за формулою:

(5.80)

де – високочастотна складова, що враховує вплив ефекту близькості,

–складова, що вноситься сердечником,

–геометрична складова,

–складова, що вноситься ємністю через діелектрик,

–складова, що вноситься екраном,

Високочастотна складова ТКІ визначається добротністю котушки для значення коефіцієнта для проводу круглого розтину [3].

. (5.81)

Складова ТКІ , що вноситься магнітним сердечником, визначається як:

, (5.82)

де – коефіцієнт використання магнітної проникності;

–температурний коефіцієнт зміни магнітної проникності магнітного матеріалу, 2000 НН.

Геометрична складова ТКІ розраховується за формулою:

(5.83)

де – температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) діаметра;

–ТКЛР довжини;

Складова ТКІ , яка викликається зміною власної ємності, розраховується за формулою:

(5.84)

де – температурний коефіцієнт діелектричної проникності каркаса [3, табл. П. 8];

–повна ємність контуру:

. (5.85)

Складова ТКІ , яка обумовлена впливом екрана, розраховується за формулою:

(5.86)

де – ТКЛР матеріалу екрана, який визначається табл. П.1 [3], наприклад, для алюмінія;

–коефіцієнт, який визначається за графіком П.1 [3] та дорівнює для.

Для перевірки правильності розрахунку конструктивних та електричних параметрів котушки індуктивності можна скористатися їх швидким розрахунком, викладеним у додатку Д.

Під час проектування котушок індуктивності та трансформаторів живлення виникає необхідність використання проводів. Їхні умовні позначення та параметри наведено у додатку Л.

Приклади конструктивного виконання сердечників та каркасів, система позначення феритових сердечників та сердечників із магнітних матеріалів та деякі їхні параметри наведено у додатку Н.

5.4 Алгоритм розрахунку тороїдального трансформатораживлення

Загальні положення

Перед початком конструювання трансформатора необхідно вивчити лекційний матеріал [12, с. 7–64].

Створити трансформатор, який би одночасно задовольняв потреби мінімальних маси та вартості, перегріву, падіння напруги, неможливо. Наприклад, якщо висувається вимога мінімальної вартості, то у зв'язку з тим, що вартість дротів (міді) значно вища сердечника (сталі), вигідніше збільшити розміри та масу сердечника і зменшувати вікно.

Якщо ж важливо, щоб трансформатор мав мінімальну масу, то слід зменшити переріз сердечника та збільшувати вікно, а необхідний режим роботи сердечника забезпечувати, збільшивши кількість витків.

Найкращі магнітні властивості мають сердечники, у яких напрям магнітних силових ліній збігається з напрямом прокату. Крім того, для них можна використовувати дуже тонкі стрічки товщиною до 0,01 мм. Стрічкові сердечники у даний час нормалізовані.

У мініатюрних трансформаторах велике розповсюдження отримали стрічкові сердечники з розширеним ярмом, а також сердечники кабельного типу.

Основними вимогами до магнітного матеріалу, що застосовується у трансформаторах живлення, є висока індукція насичення і малі втрати. Для малопотужних трансформаторів, які живляться напругою з частотою 50–400 Гц, основною вимогою є висока індукція насичення. При збільшенні розмірів трансформаторів обсяг сердечника збільшується швидше, ніж поверхня охолодження.

Під час використання стрічкових провідників збільшується коефіцієнт заповнення, не виникає пустота між обмотками, значно покращується тепловідведення, підвищується довговічність трансформатора і можливість витримувати перенавантаження.

До капсулювання вдаються тоді, коли необхідно забезпечити найменшу масу і габарити трансформатора. Капсулювання виконують, заливаючи трансформатор у роз'ємній формі, покриваючи його або закриваючи у пластмасову коробку. Під час капсулювання трансформаторів використовуються спеціальні компаунди на основі тепло- і вологостійких смол, частіше за все епоксидних і поліефірних.

Для зменшення маси капсульованих трансформаторів товстим прошарком компаунда можна покрити не всю поверхню, а лише найбільш нестійкі місця. Потім трансформатор покривають спеціальною вологостійкою емаллю типу 7141, ЭП74 або покривним лаком.

Товщина листів магнітного матеріалу залежить від частоти, на яку роз- раховується трансформатор. Чим менша товщина листа, тим слабша частотна залежність проникності і менші втрати, але вища вартість матеріалу. Тому можна вважати, що для кожного типу трансформатора та діапазону частот існує оптимальна товщина, за якої забезпечуються необхідні характеристики трансформатора.

Можна скористатися наступними орієнтовними даними, приведеними в табл. 5.2.

Таблиця 5.2 – Співвідношення частоти та оптимальної товщини листа

Діапазон частот, Гц	Товщина, мм
50	0,35–0,5
400–500	0,1–0,2
1000–2500	0,05–0,1
До 100 000	0,02–0,05

Вхідні дані для розрахунку трансформатора:

– значення напруги первинної та вторинних обмоток;

– робоча частота;