Перейти к содержанию

Потери в сердечнике

Трансформатор импульсного блока питания может быть далёк от насыщения и всё равно перегреться. Причина — потери в самом сердечнике: на каждом цикле перемагничивания часть энергии превращается в тепло, и на сотнях килогерц именно они ограничивают индукцию.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Потери в сердечнике (core loss) — мощность, которая выделяется теплом в магнитопроводе при перемагничивании переменным полем. TI делит потери трансформатора на три вида: гистерезис и вихревые токи в сердечнике и потери в обмотках (SLUP126, с. 4-2).

  • Гистерезис — энергия на каждый цикл перемагничивания, пропорциональная площади петли B–H материала (её ширину задаёт коэрцитивная сила). За секунду таких циклов f, поэтому потери растут с частотой.
  • Вихревые токи — токи, наведённые в самом материале. У ферритов они малы до 200–300 кГц, а выше растут примерно как квадрат частоты и начинают преобладать (SLUP126).

Удельные потери в паспорте

Производитель задаёт потери на единицу объёма — PV в кВт/м³ (то же, что мВт/см³) — при определённых частоте, амплитуде индукции и температуре:

Материал, 100 °C25 кГц, 200 мТ100 кГц, 100 мТ100 кГц, 200 мТ300 кГц, 100 мТ
TDK N8757 кВт/м³—375 кВт/м³390 кВт/м³
Ferroxcube 3C9080 кВт/м³80 кВт/м³450 кВт/м³—

Потери сердечника P = PV · Ve, где Ve — эффективный объём из каталога. Пример: ETD 44 (Ve = 17 800 мм³) из 3C90 на 100 кГц и 100 мТ теряет около 1,4 Вт, а при 200 мТ — уже около 8 Вт (наш расчёт по данным Ferroxcube и Magnetics).

Что из этого следует

На высоких частотах трансформатор ограничен потерями, а не насыщением: Magnetics советует держать индукцию в ферритах выше 20 кГц ниже ±2 кГс (±0,2 Тл), хотя насыщаются N87 и 3C90 только при 0,38–0,49 Тл (Ferrite Cores, с. 63; паспорта TDK и Ferroxcube). Табличные потери сняты при синусе; TI предупреждает, что при прямоугольном напряжении они не всегда надёжны (SLUP126, с. 4-2). Подробный расчёт — в статьях «Магнитные сердечники» и «Трансформаторы», витки и сечение считает калькулятор трансформатора.

Не путать

С потерями в обмотках — нагревом провода током нагрузки. Они растут как квадрат тока, а потери в сердечнике от нагрузки почти не зависят.

Частые вопросы

От чего зависят потери в сердечнике?

От материала, размаха индукции, частоты, температуры и формы напряжения. По данным Ferroxcube 3C90, при 100 кГц и 100 °C удвоение индукции со 100 до 200 мТ увеличивает удельные потери с 80 до 450 кВт/м³ — больше чем в пять раз. С частотой они тоже растут: у ферритов выше 200–300 кГц начинают преобладать вихревые токи, которые растут как квадрат частоты (TI SLUP126).

Как посчитать потери в сердечнике трансформатора?

Умножить удельные потери из паспорта материала при рабочих частоте, индукции и температуре на эффективный объём сердечника Ve. Для ETD 44 (17 800 мм³) из 3C90 при 100 кГц, 100 мТ и 100 °C это 80 кВт/м³ · 17,8 · 10⁻⁶ м³ ≈ 1,4 Вт (наш расчёт). При прямоугольном напряжении реальные потери отличаются от табличных, снятых при синусе.

Почему трансформатор греется без нагрузки?

Потому что потери в сердечнике почти не зависят от нагрузки: перемагничивание идёт и на холостом ходу. Нагрузка добавляет только потери в обмотках. У сетевого трансформатора Block VCM 36/1/18 потери холостого хода — около 2,6 Вт при мощности 36 ВА (даташит Block).

Источники

  1. TDK Electronics. SIFERRIT material N87, June 2025 — с. 2: относительные потери PV при 100 °C — 57 кВт/м³ (25 кГц, 200 мТ), 375 (100 кГц, 200 мТ), 390 (300 кГц, 100 мТ), 215 (500 кГц, 50 мТ)
  2. Ferroxcube. 3C90 Material specification (2008 Sep 01) — PV при 100 °C: 80 кВт/м³ (25 кГц, 200 мТ), 80 (100 кГц, 100 мТ), 450 (100 кГц, 200 мТ)
  3. Dixon L. H. Magnetics Design Handbook, Section 4: Power Transformer Design (Texas Instruments SLUP126) — с. 4-2–4-3: три вида потерь — гистерезис, вихревые токи в сердечнике, обмотки; у ферритов до 200–300 кГц преобладает гистерезис, выше — вихревые токи ∝ f²; данные производителей сняты при синусе и не всегда надёжны
  4. Magnetics. Ferrite Cores catalog (2017) — с. 45: ETD 44 — Ve 17 800 мм³; с. 63: выше 20 кГц индукцию в ферритах держат ниже ±2 кГс
  5. BLOCK Transformatoren-Elektronik. VCM 36/1/18 PCB transformer, datasheet — 36 ВА, 230 В / 18 В; потери холостого хода (тип.) 2,6 Вт, КПД 83 %

Нашли ошибку?

Смотрите также