Переделка трансформатора для двухполярного питания
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.
График падения напряжения на диодах моста KBPC1010
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.
Замер напряжение на одном диоде
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.
Падение напряжения на одном диоде в открытом состоянии
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.
Падение напряжения на сопротивлении 0.1 Ом
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
Замер напряжение холостого хода вторичных обмоток
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
Вторичная обмотка с которой сматывались лишние витки
Под нагрузкой выдаёт 13.16V переменного напряжения, а на выходе выпрямителя получается 15.23V при токе 1A.
Дополнительная обмотка
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.
