Наиболее распространены магнитопроводы следующих типов:
- Кольцевой ленточный (тороидальный) магнитопровод;
- Ш- (или ШЛ-) образный ленточный магнитопровод;
- П- (или О-) образный ленточный магнитопровод;
- Ш- (или ШЛ-) образный пластинчатый магнитопровод (устарел).
Внешний вид и основные размерности сердечников представлены на рисунке:
Расчет Ш-образные пластинчатые сердечников аналогичен расчету Ш-образного ленточного.
Трансформатор на тороидальный магнитопроводе - самый компактный и эффективный, может использоваться при мощностях от 30 до 1000 Вт, а особенно - когда важно минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объема является первостепенным.
Имея преимущества в объеме, массе и характеристиках перед другими типами конструкций трансформаторов, тороидальные трансформаторы вместе с тем являются и наименее технологичными в изготовлении.
Расчет трансформатора
Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:- напряжение первичной обмотки U1
- напряжение вторичной обмотки U2
- ток вторичной обмотки I2
Расчет габаритной мощности трансформатора
При выборе железа для трансформатора надо учитывать, чтобы габаритная мощность трансформатора была строго больше расчетной электрической мощности вторичных обмоток.Мощность вторичной обмотки
Р2 = I2 * U2 = Рвых
Если обмоток много, то мощность, отдаваемая трансформатором, определяется суммой всех мощностей вторичных обмоток (Рвых).
Другими словами - габаритная мощность трансформатора - это мощность которую способно "вынести" железо.
Прежде чем перейти к формуле, сделаем несколько оговорок:
- Главный качественный показатель силового трансформатора для радиоаппаратуры - его надежность. Следствие надежности - это минимальный нагрев трансформатора при работе (иными словами он должен быть всегда холодным!) и минимальная просадка выходных напряжений под нагрузкой (иными словами, трансформатор должен быть "жестким");
- В расчетах примем КПД трансформатора 0.95;
- Так как речь в статье пойдет об обычном сетевом трансформаторе, примем рабочую частоту равной 50Гц;
- Учитывая то, что нам нужен надежный трансформатор, и учитывая то, что напряжение в сети может иметь отклонения от 220 вольт до 10%, принимаем В=1.2 Тл.;
- Плотность тока в обмотках принимаем 3.5 А/мм2;
- Коэффициент заполнения сердечника сталью принимаем 0.95;
- Коэффициент заполнения окна принимаем 0.45;
Р = 1.9 * Sc * So
Где:
Sc и So - площади поперечного сечения сердечника и окна [кв. см];
Определение количества витков в обмотках.
Прежде всего рассчитываем количество витков в первичной обмотке.Упрощенная формула будет иметь вид:
Р = 40 * U / Sc
Где:
Sc - площадь поперечного сечения сердечника [кв. см];
U - напряжение первичной обмотки [В];
Количество витков во вторичной обмотке можно расчитать по этой же формуле, увеличив число витков примерно на 5% (КПД трансформатора), но можно поступить проще: после того как намотана первичка - наматываем поверх нее 10 витков и измеряем напряжение. Зная какое напряжение требуется получить на выходе трансформатора и зная какое напряжение приходится на 10 витков - определяем необходимое число витков.
Расчет силового трансформатора
Трансформатор – это пассивный преобразователь энергии. Его коэффициент полезного действия (КПД) всегда меньше единицы. Это означает, что мощность потребляемая нагрузкой, которая подключена к вторичной обмотке трансформатора, меньше, чем мощность, потребляемая нагруженным трансформатором от сети. Известно, что мощность равна произведению силы тока на напряжение, следовательно, в повышающих обмотках сила тока меньше, а в понижающих – больше силы тока, потребляемого трансформатором от сети.
Параметры и характеристики трансформатора.
Два разных трансформатора при одинаковом напряжении сети могут быть рассчитаны на получение одинаковых напряжений вторичных обмоток. Но если нагрузка первого трансформатора потребляет больший ток, а второго маленький, значит, первый трансформатор характеризуется по сравнению со вторым большей мощностью. Чем больше сила тока в обмотках трансформатора, тем больше и магнитный поток в его сердечнике, поэтому сердечник должен быть толще. Кроме того, чем больше сила тока в обмотке, тем более толстым проводом она должна быть намотана, а это требует увеличения окна сердечника. Поэтому габариты трансформатора зависят от его мощности. И наоборот, сердечник определенного размера пригоден для изготовления трансформатора только до определенной мощности, которая называется габаритной мощностью трансформатора. Количество витков вторичной обмотки трансформатора определяет напряжение на ее выводах. Но это напряжение зависит также и от количества витков первичной обмотки. При определенном значении напряжения питания первичной обмотки напряжение вторичной зависит от отношения количества витков вторичной обмотки количеству витков первичной. Это отношение и называется коэффициентом трансформации. Если напряжение на вторичной обмотке зависит от коэффициента трансформации нельзя произвольно выбирать количество витков одной из обмоток. Чем меньше габариты сердечника, тем больше должно быть количество витков каждой обмотки. Поэтому размеру сердечника трансформатора соответствует вполне определенное количество витков его обмоток, приходящееся на один вольт напряжения, меньше которого брать нельзя. Эта характеристика называется количеством витков на один вольт..
Как и всякий преобразователь энергии, трансформатор обладает коэффициентом полезного действия – отношением мощности, потребляемой нагрузкой трансформатора, к мощности, которую нагруженный трансформатор потребляет от сети. КПД маломощных трансформаторов, которые обычно применяются для питания бытовой электронной аппаратуры, колеблется в пределах от 0,8 до 0,95. Более высокие значения имеют трансформаторы большей мощности.
Электрический расчет трансформатора
Перед расчетом трансформатора необходимо сформулировать требования, которым он должен удовлетворять. Они и будут являться исходными данными для расчета. Технические требования к трансформатору определяются также путем расчета, в результате которого определяются те напряжения и токи, которые должны быть обеспечены вторичными обмотками. Поэтому перед расчетом трансформатора производится расчет выпрямителя для определения напряжений каждой из вторичных обмоток и потребляемых от этих обмоток токов. Если же напряжения и токи каждой из обмоток трансформатора уже известны, то они являются техническими требованиями к трансформатору. Для определения габаритной мощности трансформатора необходимо определить мощности, потребляемые от каждой из вторичных обмоток и сложить их, учитывая также КПД трансформатора. Мощность, потребляемую от любой обмотки, определяют умножением напряжения между выводами этой обмотки на силу потребляемого от нее тока:
P – мощность, потребляемая от обмотки, Вт;
U – эффективное значение напряжения, снимаемого с этой обмотки, В;
I – эффективное значение силы тока, протекающего в этой же обмотке, А.
Суммарная мощность, потребляемая, например, тремя вторичными обмотками, вычисляется по формуле:
P S = U 1 I 1 +U 2 I 2 +U 3 I 3
Для определения габаритной мощности трансформатора, полученное значение суммарной мощности P S нужно разделить на КПД трансформатора: P г = , где
P г – габаритная мощность трансформатора; η – КПД трансформатора.
Заранее рассчитать КПД трансформатора нельзя, так как для этого нужно знать величину потерь энергии в обмотках и в сердечнике, которые зависят от параметров самих обмоток (диаметры проводов и их длина) и параметров сердечника (длина магнитной силовой линии и марка стали). И те и другие параметры становятся известными только после расчета трансформатора. Поэтому с достаточной для практического расчета точностью КПД трансформатора можно определить из таблицы 6.1.
Таблица 6.1
|
Суммарная мощность, Вт |
||||
|
КПД трансформатора |
Наиболее распространены две формы сердечника: О – образная и Ш – образная. На сердечнике О – образной формы обычно располагаются две катушки, а на сердечнике Ш – образной формы - одна. Зная габаритную мощность трансформатора, находят сечение рабочего керна его сердечника, на котором находится катушка:
Сечением рабочего керна сердечника является произведение ширины рабочего керна а и толщины пакета с. Размеры а и с выражены в сантиметрах, а сечение – в квадратных сантиметрах.
После этого выбирают тип пластин трансформаторной стали и определяют толщину пакета сердечника. Сначала находят приблизительную ширину рабочего керна сердечника по формуле: a = 0,8
Затем по полученному значению а производят выбор типа пластин трансформаторной стали из числа имеющихся в наличии и находят фактическую ширину рабочего керна а. после чего определяют толщину пакета сердечника с:
Количество витков, приходящихся на 1 вольт напряжения, определяется сечением рабочего керна сердечника трансформатора по формуле: n = k/S, где N – количество витков на 1 В; k – коэффициент, определяемый свойствами сердечника; S - сечение рабочего керна сердечника, см 2 .
Из приведенной формулы видно, что чем меньше коэффициент k, тем меньше витков будут иметь все обмотки трансформатора. Однако произвольно выбирать коэффициент k нельзя. Его значение обычно лежит в пределах от 35 до 60. В первую очередь оно зависит от свойств пластин трансформаторной стали, из которых собран сердечник. Для сердечников С-образной формы, витых из тонкой ленты, можно брать k = 35. Если используется сердечник О - образной формы, собранный из П- или Г – образных пластин без отверстий по углам, берут k = 40. Такое же значение k и для пластин типа УШ, у которых ширина боковых кернов больше половины ширины среднего керна.. Если используются пластины типа Ш без отверстий по углам, у которых ширина среднего керна ровно вдвое больше ширины крайних кернов, целесообразно взять k = 45, а если Ш – образные пластины имеют отверстия, то k = 50. Таки образом, выбор k в значительной мере условен и им можно в некоторых пределах варьировать, если учесть, что уменьшение k облегчает намотку, но ужесточает режим трансформатора. При применении пластин из высококачественной трансформаторной стали этот коэффициент можно немного уменьшать, а при низком качестве стали приходится его увеличивать.
Зная необходимое напряжение каждой обмотки и количество витков на 1 В, легко определить количество витков обмотки, перемножим эти величины: W = Un
Такое соотношение справедливо только для первичной обмотки, а при определении количества витков вторичных обмоток нужно дополнительно вводить приближенную поправку для учета падения напряжения на самой обмотке от протекающего по ее проводу тока нагрузки: W = mUn
Коэффициент m зависит от силы тока, протекающего по данной обмотке (см. таблицу 6.2). Если сила тока меньше 0,2 А, можно принимать m = 1. Толщина провода, которым наматывается обмотка трансформатора определяется силой тока, протекающей по этой обмотке. Чем больше ток, тем толще должен быть провод, подобно тому как для увеличения потока воды требуется использовать более толстую трубу. От толщины провода зависит сопротивление обмотки. Чем тоньше провод, тем больше сопротивление обмотки, следовательно, увеличивается выделяемая в ней мощность и она сильнее нагревается. Для каждого типа обмоточного провода существует предел допустимого нагрева, который зависит от свойств эмалевой изоляции. Поэтому диаметр провода может быть определен по формуле: d = p, где d – диаметр провода по меди, м; I - сила тока в обмотке, А; p - коэффициент, (таблица 6.3) который учитывает допустимый нагрев той или иной марки провода.
Таблица 6.2: Определение коэффициента m
Таблица 6.3: Выбор диаметра провода.
|
Марка провода |
||||
Выбрав коэффициент p можно определить диаметр провода каждой обмотки. Найденное значение диаметра округляют до большего стандартного.
Сила тока в первичной обмотке определяется с учетом габаритной мощности трансформатора и напряжения сети:
Практическая работа:
U 1 = 6,3 В, I 1 = 1,5 А; U 2 = 12 В, I 2 = 0,3 А; U 3 = 120 В, I 3 = 59 мА
Как определить количество витков вторичной обмотки?
Для расчёта количества витков вторичной обмотки необходимо знать, сколько витков приходится на один Вольт. Если количество витков первичной обмотки неизвестно, то это значение можно получить одним из предложенных ниже способов.
Первый способ.
Перед удалением вторичных обмоток с каркаса трансформатора, нужно замерить на холостом ходу (без нагрузки) напряжение сети и напряжение на одной из самых длинных вторичных обмоток. При размотке вторичных обмоток, нужно посчитать количество витков той обмотки, на которой был произведён замер.
Второй способ.
Этот способ можно применить, когда вторичная обмотка уже удалена, а количество витков не посчитано. Тогда можно намотать в качестве вторичной обмотки 50 -100 витков любого провода и сделать необходимые замеры. То же самое можно сделать, если используется трансформатор, имеющий всего несколько витков во вторичной обмотке, например, трансформатор для точечной сварки. Тогда временная измерительная обмотка позволит значительно увеличить точность расчётов.
Когда данные получены, можно воспользоваться простой формулой:
ω1 / U1 = ω 2 / U2
ω 1 – количество витков в первичной обмотке,
ω 2 – количество витков во вторичной обмотке,
U1 – напряжение на первичной обмотке,
U2 – напряжение на вторичной обмотке.
Я раздобыл вот такой трансформатор без вторичной обмотки и опознавательных знаков.
Намотал в качестве временной вторичной обмотки – 100 витков.
Намотал я эту обмотку тонким проводом, который не жалко и которого у меня больше всего. Намотал «в навал», что значит, как попало.
Результаты теста.
Напряжение сети во время замера – 216 Вольт.
Напряжение на вторичной обмотке – 20,19 Вольт.
Определяем количество витков на вольт при 216V:
100 / 20,19 = 4,953 вит./Вольт
Здесь на точности не стоит экономить, так как погрешность набегает при замерах. Благо, считаем-то не на бумажке.
Рассчитываем число витков первичной обмотки:
4,953 * 216 = 1070 вит.
Теперь можно определить количество витков на вольт при 220V.
1070 / 220 = 4,864 вит./Вольт
Рассчитываем количество витков во вторичных обмотках.
4,864 * 12,8 = 62 вит.
4,864 * 14,3 = 70 вит.
Как рассчитать диаметр провода для любой обмотки?
Чем толще, тем лучше, но с условием, что он поместится в окно магнитопровода. Если окно небольшое, то желательно посчитать ток каждой наматываемой обмотки, чтобы подобрать оптимальный диаметр провода из имеющихся в наличии.
I = P / U
I – ток обмотки,
P – мощность потребляемая от данной обмотки,
U – действующее напряжение данной обмотки.
Например, у меня потребляемая мощность 31 Ватт и вся она будет отдаваться катушками "III" и "IV".
31 / (12,8+12,8) = 1,2 Ампер
Диаметр провода можно вычислить по формуле:
D = 1,13 √(I / j)
D – диаметр провода в мм,
I – ток обмотки в Амперах,
j – плотность тока в Ампер/мм².
При этом плотность тока можно выбрать по таблице.
| Конструкция трансформатора | Плотность тока (а/мм2) при мощности трансформатора (Вт) | ||||
| 5-10 | 10-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| Однокаркасная | 3,0-4,0 | 2,5-3,0 | 2,0-2,5 | 1,7-2,0 | 1,4-1,7 |
| Двухкаркасная | 3,5-4,0 | 2,7-3,5 | 2,4-2,7 | 2,0-2,5 | 1,7-2,3 |
| Кольцевая | 4,5-5,0 | 4,0-4,5 | 3,5-4,5 | 3,0-3,5 | 2,5-3,0 |
Ток, протекающий через катушки «III» и «IV» – 1,2 Ампера.
А плотность тока я выбрал – 2,5 А/ мм².
1,13√ (1,2 / 2,5) = 0,78 мм
У меня нет провода диаметром 0,78 мм, но зато есть провод диаметром 1,0мм. Поэтому, я на всякий случай посчитаю, хватит ли мне места для этих катушек.
На картинке два варианта конструкции каркаса: А – обычная, В– секционная.
- Количество витков в одном слое.
- Количество слоёв.
Ширина моего несекционированного каркаса 40мм.
Мне нужно намотать 124 витка проводом 1,0 мм, у которого диаметр с изоляцией равен 1,08 мм. Таких обмоток требуется две.
124 * 1,08 * 1,1: 40 ≈ 3,68 слоя
1,1 – коэффициент. На практике, при расчёте заполнения нужно прибавить 10 – 20% к полученному результату. Я буду мотать аккуратно, виток к витку, поэтому добавил 10%.
Получилось 4 слоя провода диаметром 1,08мм. Хотя, последний, четвёртый слой заполнен только на несколько процентов.
Определяем толщину обмотки:
1,08 * 4 ≈ 4,5 мм
У меня в распоряжении 9мм глубины каркаса, а значит, обмотка влезет и ещё останется свободное место.
Ток катушки "II" вряд ли будет больше чем – 100мА.
1,13√ (0,1 / 2,5) = 0,23 мм
Диметр провода катушки "II" – 0,23мм.
Это малюсенькая по заполнению окна обмоточка и её можно даже не принимать в расчёт, когда остаётся так много свободного места.
Конечно, на практике у радиолюбителя выбор проводов невелик. Если нет провода подходящего сечения, то можно намотать обмотку сразу несколькими проводами меньшего диаметра. Только, чтобы не возникло перетоков, мотать нужно одновременно двумя, тремя или даже четырьмя проводами. Перетоки, возникают тогда, когда есть даже незначительные отклонения в длине обмоток соединённых параллельно. При этом, из-за разности напряжений, возникает ток, который греет обмотки и создаёт лишние потери.
Перед намоткой в несколько проводов, сначала нужно посчитать длину провода обмотки, а затем разрезать провод на требуемые куски.
Длина проводов будет равна:
L = p * ω * 1,2
L – длина провода,
p – периметр каркаса в середине намотки,
ω – количество витков,
1,2* – коэффициент.
* Укладывать обмотку при намотке в несколько проводов сложно и утомительно, поэтому лучше перестраховаться и использовать этот коэффициент, компенсирующий ошибки расчёта и неаккуратной укладки.
Толстый провод необходимо мотать виток к витку, а более тонкие провода можно намотать и в навал. Главное, чтобы обмотка поместилась в окно магнитопровода.
Если намотка производится аккуратно без повреждения изоляции, то никаких прокладок между слоями можно не применять, так как, при постройке УНЧ средней мощности, большие напряжения не используются. Изоляция же обмоточного провода рассчитана на напряжение в сотни вольт. Чем толще провод, тем выше пробивное напряжение изоляции провода. У тонкого провода пробивное напряжение изоляции около 400 Вольт, а у толстого может достигать 2000 Вольт.
Закрепить конец провода можно обычными нитками.
Если при удалении вторичной обмотки повредилась межобмоточная изоляция, защищающая первичную обмотку, то её нужно обязательно восстановить. Тут можно применить плотную бумагу или тонкий картон. Не рекомендуется использовать всякие синтетические материалы вроде скотча, изоленты и им подобные.
Если катушка разделена на секции для первичных и вторичных обмоток, то тогда и вовсе можно обойтись без изоляционных прокладок.
Как измерить диаметр провода.
Если у Вас дома завалялся микрометр, то можно им замерить диаметр провода.
Провод сначала лучше прогреть на пламени спички и лишь потом скальпелем удалить ослабленную изоляцию. Если этого не сделать, то вместе с изоляцией можно удалить и часть меди, что снизит точность измерения особенно для тонкого провода.
Если микрометра нет, то можно воспользоваться обыкновенной линейкой. Нужно намотать на жало отвёртки или на другую подходящую ось 100 витков провода, сжать витки ногтем и приложить полученный набор к линейке. Разделив полученный результат на 100, получим диаметр провода с изоляцией. Узнать диметр провода по меди можно из таблицы приведённой ниже.
Я намотал 100 витков провода и получил длину набора –39 мм.
39 / 100 = 0,39 мм
По таблице определяю диметр провода по меди – 0,35мм.
Таблица данных обмоточных проводов.
| Диаметр без изоляции, мм | Сечение меди, мм² | Сопротив-ление 1м при 20ºС, Ом | Диаметр с изоляцией, мм | Вес 100м с изоляцией, гр | |
| 0,03 | 0,0007 | 24,704 | 0,0014 | 0,045 | 0,8 |
| 0,04 | 0,0013 | 13,92 | 0,0026 | 0,055 | 1,3 |
| 0,05 | 0,002 | 9,29 | 0,004 | 0,065 | 1,9 |
| 0,06 | 0,0028 | 6,44 | 0,0057 | 0,075 | 2,7 |
| 0,07 | 0,0039 | 4,73 | 0,0077 | 0,085 | 3,6 |
| 0,08 | 0,005 | 3,63 | 0,0101 | 0,095 | 4,7 |
| 0,09 | 0,0064 | 2,86 | 0,0127 | 0,105 | 5,9 |
| 0,1 | 0,0079 | 2,23 | 0,0157 | 0,12 | 7,3 |
| 0,11 | 0,0095 | 1,85 | 0,019 | 0,13 | 8,8 |
| 0,12 | 0,0113 | 1,55 | 0,0226 | 0,14 | 10,4 |
| 0,13 | 0,0133 | 1,32 | 0,0266 | 0,15 | 12,2 |
| 0,14 | 0,0154 | 1,14 | 0,0308 | 0,16 | 14,1 |
| 0,15 | 0,0177 | 0,99 | 0,0354 | 0,17 | 16,2 |
| 0,16 | 0,0201 | 0,873 | 0,0402 | 0,18 | 18,4 |
| 0,17 | 0,0227 | 0,773 | 0,0454 | 0,19 | 20,8 |
| 0,18 | 0,0255 | 0,688 | 0,051 | 0,2 | 23,3 |
| 0,19 | 0,0284 | 0,618 | 0,0568 | 0,21 | 25,9 |
| 0,2 | 0,0314 | 0,558 | 0,0628 | 0,225 | 28,7 |
| 0,21 | 0,0346 | 0,507 | 0,0692 | 0,235 | 31,6 |
| 0,23 | 0,0416 | 0,423 | 0,0832 | 0,255 | 37,8 |
| 0,25 | 0,0491 | 0,357 | 0,0982 | 0,275 | 44,6 |
| 0,27 | 0,0573 | 0,306 | 0,115 | 0,31 | 52,2 |
| 0,29 | 0,0661 | 0,2бб | 0,132 | 0,33 | 60,1 |
| 0,31 | 0,0755 | 0,233 | 0,151 | 0,35 | 68,9 |
| 0,33 | 0,0855 | 0,205 | 0,171 | 0,37 | 78 |
| 0,35 | 0,0962 | 0,182 | 0,192 | 0,39 | 87,6 |
| 0,38 | 0,1134 | 0,155 | 0,226 | 0,42 | 103 |
| 0,41 | 0,132 | 0,133 | 0,264 | 0,45 | 120 |
| 0,44 | 0,1521 | 0,115 | 0,304 | 0,49 | 138 |
| 0,47 | 0,1735 | 0,101 | 0,346 | 0,52 | 157 |
| 0,49 | 0,1885 | 0,0931 | 0,378 | 0,54 | 171 |
| 0,51 | 0,2043 | 0,0859 | 0,408 | 0,56 | 185 |
| 0,53 | 0,2206 | 0,0795 | 0,441 | 0,58 | 200 |
| 0,55 | 0,2376 | 0,0737 | 0,476 | 0,6 | 216 |
| 0,57 | 0,2552 | 0,0687 | 0,51 | 0,62 | 230 |
| 0,59 | 0,2734 | 0,0641 | 0,547 | 0,64 | 248 |
| 0,62 | 0,3019 | 0,058 | 0,604 | 0,67 | 273 |
| 0,64 | 0,3217 | 0,0545 | 0,644 | 0,69 | 291 |
| 0,67 | 0,3526 | 0,0497 | 0,705 | 0,72 | 319 |
| 0,69 | 0,3739 | 0,0469 | 0,748 | 0,74 | 338 |
| 0,72 | 0,4072 | 0,043 | 0,814 | 0,78 | 367 |
| 0,74 | 0,4301 | 0,0407 | 0,86 | 0,8 | 390 |
| 0,77 | 0,4657 | 0,0376 | 0,93 | 0,83 | 421 |
| 0,8 | 0,5027 | 0,0348 | 1,005 | 0,86 | 455 |
| 0,83 | 0,5411 | 0,0324 | 1,082 | 0,89 | 489 |
| 0.86 | 0,5809 | 0,0301 | 1,16 | 0,92 | 525 |
| 0,9 | 0,6362 | 0,0275 | 1,27 | 0,96 | 574 |
| 0,93 | 0,6793 | 0,0258 | 1,36 | 0,99 | 613 |
| 0,96 | 0,7238 | 0,0242 | 1,45 | 1,02 | 653 |
| 1 | 0,7854 | 0,0224 | 1,57 | 1,07 | 710 |
| 1,04 | 0,8495 | 0,0206 | 1,7 | 1,12 | 764 |
| 1,08 | 0,9161 | 0,0191 | 1,83 | 1,16 | 827 |
| 1,12 | 0,9852 | 0,0178 | 1,97 | 1,2 | 886 |
| 1,16 | 1,057 | 0,0166 | 2,114 | 1,24 | 953 |
| 1,2 | 1,131 | 0,0155 | 2,26 | 1,28 | 1020 |
| 1,25 | 1,227 | 0,0143 | 2,45 | 1,33 | 1110 |
| 1,3 | 1,327 | 0,0132 | 2,654 | 1,38 | 1190 |
| 1,35 | 1,431 | 0,0123 | 2,86 | 1,43 | 1290 |
| 1,4 | 1,539 | 0,0113 | 3,078 | 1,48 | 1390 |
| 1,45 | 1,651 | 0,0106 | 3,3 | 1,53 | 1490 |
| 1,5 | 1,767 | 0,0098 | 3,534 | 1,58 | 1590 |
| 1,56 | 1,911 | 0,0092 | 3,822 | 1,64 | 1720 |
| 1,62 | 2,061 | 0,0085 | 4,122 | 1,71 | 1850 |
| 1,68 | 2,217 | 0,0079 | 4,433 | 1,77 | 1990 |
| 1,74 | 2,378 | 0,0074 | 4,756 | 1,83 | 2140 |
| 1,81 | 2,573 | 0,0068 | 5,146 | 1,9 | 2310 |
| 1,88 | 2,777 | 0,0063 | 5,555 | 1,97 | 2490 |
| 1,95 | 2,987 | 0,0059 | 5,98 | 2,04 | 2680 |
| 2,02 | 3,205 | 0,0055 | 6,409 | 2,12 | 2890 |
| 2,1 | 3,464 | 0,0051 | 6,92 | 2,2 | 3110 |
| 2,26 | 4,012 | 0,0044 | 8,023 | 2,36 | 3620 |
| 2,44 | 4,676 | 0,0037 | 9,352 | 2,54 | 4220 |
В данной статье вы узнаете что такое трансформатор. Покажем конструкцию силового трансформатора.
Что такое трансформатор
Трансформатор — устройство, в котором переменный ток одного напряжения преобразовывается в переменный ток другого напряжения. При этом преобразовании напряжений одновременно всегда происходит также преобразование силы тока: если трансформатор повышает напряжение, то сила тока при этом уменьшается.
Трансформатор представляет собой стальной сердечник с двумя катушками, имеющими обмотки. Одна из обмоток называется первичной, другая – вторичной. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС во вторичной обмотке. Сила тока во вторичной обмотке, не присоединенной к цепи, потребляющей энергию, равна нулю. Если цепь подсоединена и происходит потребление электроэнергии, то в соответствии с законом сохранения энергии сила тока в первичной обмотке пропорционально возрастает. Таким образом, и происходит преобразование и распределение электрической энергии.
Схематическое устройство трансформатора показано на рисунке.
На общем сердечнике (обычно из трансформаторной стали) расположены две обмотки. По одной из обмоток I, называемой первичной, под действием переменного напряжения U 1 проходит переменный ток I 1 . Этот ток создает в сердечнике переменный магнитный поток, изменяющийся по своей величине и направлению в соответствии с изменениями тока I 1 . Переменный магнитный поток пронизывает витки второй обмотки II, называемой вторичной обмоткой, и индуктирует в каждом из ее витков определенную переменную ЭДС. Так как все витки обмотки II соединены последовательно, то отдельные ЭДС каждого витка складываются, а на концах вторичной обмотки получается суммарная ЭДС, также переменная по величине и направлению.
Обычно трансформаторы конструируются так, что падение напряжения во вторичной обмотке невелико (порядка 2 — 5%); поэтому с известным допущением можно принять, что на концах вторичной обмотки напряжение U 2 равно её ЭДС. Это напряжение U 2 будет во столько раз больше (или меньше) напряжения первичной обмотки U 1 n 2 n 1 первичной.
Ток во вторичной обмотке I 2 наоборот, будет во столько раз меньше (или больше) тока первичной обмотки I 1 , во сколько раз число витков n 2 вторичной обмотки больше или меньше) числа витков n 1 первичной.
Отношение числа витков питаемой от сети обмотки к числу витков другой обмотки или одного напряжения (первичного) к другому (вторичному) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой К :
Часто коэффициент трансформации выражается соотношением двух чисел, например 1:55, показывающим, что число витков первичной обмотки в 55 раз меньше числа витков вторичной.
Конструкция силового трансформатора
Сердечники силовых трансформаторов бывают: Ш-образный (рис) у которого магнитный поток разветвляется на две ветви, и П-образный (рис) с неразветвленным магнитным потоком. Первый вид сердечников, называемый броневым, применяется более часто, чем второй — стержневой. Ещё бывает третий тип силового трансформатора – спиральный (или ленточный), который является разновидностью первых двух.
Для уменьшения потерь в сердечнике, последний делается не сплошным, а из отдельных тонких листов стали, оклеенных бумагой или покрытых изолирующим лаком. Толщина пластин составляет от 0,25 до 0,5 мм, чаще всего 0,3 — 0,35 мм.
В настоящее время пакеты пластин для трансформаторов малой и средней мощности (до 200 Ватт) собираются в основном из двух типов пластин (рис): Ш-образных и прямых (накладок). Применение прямых пластин (накладок) дает возможность делать у некоторых трансформаторов (например, у выходных) воздушный зазор в сердечнике.
Сборка пластин производится одним из двух способов. При одном способе — встык — собираются отдельно две части сердечника, которые затем прикладываются друг к другу (рис) и стягиваются болтами и накладками. При другом способе — вперекрышку — пластины накладываются друг на друга в порядке, указанном на рисунке.
Сердечник трансформатора должен быть крепко стянут, в противном случае при работе трансформатора сердечник будет гудеть. Хотя гудение и не оказывает существенного влияния на работу трансформатора, но оно неприятно действует на слух. Обмотки трансформатора располагаются на каркасе, который одевается на сердечник. Каркас, как правило изготавливается из картона, или прессшпана.
При использовании Ш-образного сердечника все обмотки трансформатора размещаются на одном каркасе, надеваемом на средний стержень сердечника. При П-образном сердечнике обмотка располагается или на одном или на двух каркасах, надеваемых соответственно на один или оба стержня сердечника.
В трансформаторах наиболее часто применяется цилиндрическая намотка: на каркас сперва наматывается первичная обмотка, на которую для изоляции укладывается несколько слоев бумаги, а затем поверх этой изоляции наматывается вторичная обмотка. Если таких вторичных обмоток будет несколько, то между каждыми двумя обмотками прокладывается изоляция из 2 — 3 слоев бумаги. При большом числе витков в обмотке, например при повышающей намотке, через каждые 2 — 3 слоя следует обязательно прокладывать бумажные изолирующие прокладки.
Расчёт силового трансформатора
Точный расчет трансформатора довольно сложен, но радиолюбитель может сконструировать силовой трансформатор, пользуясь для расчета упрощенными формулами, которые приводятся ниже.
Для расчета предварительно необходимо определить, исходя из заданных условий величины напряжений и сил токов для каждой из обмоток. Сначала подсчитывается мощность каждой из вторичных (повышающих, понижающих) обмоток:
где Р 2
, Р 3
, Р 4
— мощности (Вт), отдаваемые обмотками трансформатора;
I 2
, I 3
, I 4
— силы токов (А);
U 2
, U 3
, U 4
— напряжения (В) этих обмоток.
Для определения общей мощности Р
трансформатора все мощности, полученные для отдельных обмоток, складываются и общая сумма умножается на коэффициент 1,25, учитывающий потери в трансформаторе:
где Р — общая мощность (Вт), потребляемая всем трансформатором.
По мощности Р подсчитывается сечение сердечника (в кв.см):
После этого переходят к определению числа витков каждой из обмоток. Для первичной сетевой обмотки число витков, учитывая потери напряжения, будет равно:
Для остальных обмоток с учетом потерь напряжения числа витков равны:
Диаметр провода любой обмотки трансформатора можно определить по формуле:
где I - сила тока (A), проходящего через данную обмотку; d - диаметр провода (по меди) в мм.
Сила тока, проходящего через первичную (сетевую) обмотку, определяется из обшей мощности трансформатора Р :
Остается еще выбрать типоразмер пластин для сердечника. Для этого необходимо подсчитать площадь, которую занимает вся обмотка в окне сердечника трансформатора:
где S м
— площадь (в кв. мм), занимаемая всеми обмотками в окне;
d 1
, d 2
, d 3
и d 4
— диаметры проводов обмоток (в мм);
n 1
, n 2
, n 3
и n 4
- числа витков этих обмоток.
Этой формулой учитывается толщина изоляции проводов, неравномерность намотки, а также место, занимаемое каркасом в окне сердечника.
По полученной величине S м
выбирается типоразмер пластины с таким расчетом, чтобы обмотка свободно разместилась в окне выбранной пластины. Выбирать пластины с окном, значительно большим, чем это необходимо, не следует, так как при этом ухудшаются общие качества трансформатора.
Наконец определяют толщину набора сердечника — величину b , которую подсчитывают по формуле:
Здесь размер a – ширина среднего лепестка пластины (рис.3) и b в миллиметрах; Q — в кв. см.
Расчёт простой, самым сложным является поиск сердечника с необходимым типоразмером.
Быстрая переделка силового трансформатора лампового телевизора
Нынче полупроводниковые телевизоры с их импульсными блоками питания навсегда вытеснили тяжёлые и громоздкие ламповые телевизоры, однако у многих «Плюшкиных» они ещё в большом количестве пылятся в гаражах и сараях. Поэтому, нет никакой сложности, найти от такого телевизора силовой трансформатор. Переделка такого трансформатора под ваши потребности элементарна.
Мощности таких трансформаторов бывают от 80 до 350 Ватт, всё определялось телевизором. В чёрно-белом телевизоре трансформатор – слабее, а в цветном – мощнее. Конструкция трансформатора – двухкаркасная на О-образном спиральном сердечнике. Сердечник трансформатора состоит из двух подковообразных половин, входящих внутрь катушек трансформатора. На обеих катушках намотаны одинаковые обмотки, с одинаковым количеством витков. Как правило, на катушках имеется табличка, на которой расписаны сетевые и все выходные обмотки с номерами выводов, напряжений и токов.
Вы можете использовать уже имеющиеся обмотки, с подходящим для Вас напряжением, а можете смотать вторичные обмотки и намотать новые, тем самым использовать полную мощность трансформатора. Удобство заключается в лёгкой разборке-сборке, расчётах новых обмоток. На катушках сначала намотаны первичные обмотки, потом стоит экранирующая фольга, а потом намотаны вторичные обмотки. Поэтому, при сматывании не нужных обмоток, Вы не допустите ошибку, смотав первичную обмотку.
Разбирается трансформатор обыкновенным гаечным ключом на 10 или на 12. Для этого необходимо открутить всего две гайки стягивающие скобы трансформатора, после чего, половины сердечника свободно вынимаются из катушек.
Перед разборкой катушек, внимательно изучите табличку, найдите в ней обмотку на наименьшее напряжение, а при сматывании этой обмотки посчитайте количество витков. Поделив подсчитанное количество витков на напряжение, значащееся в табличке, Вы узнаете количество витков вторичной обмотки трансформатора, приходящееся на один вольт. Умножив это число на то напряжение, которое хотите получить на выходе трансформатора, Вы узнаете количество витков, которое необходимо будет намотать.
Мотать можете другим проводом, а можете и тем, который смотали с трансформатора. Мотать надо виток к витку. Для получения достаточного выходного тока, можно мотать обмотки проводом, сложенным вдвое, втрое и даже вчетверо, а можете намотать несколько обмоток с одинаковым количеством витков, а потом, после сборки трансформатора, спаять их параллельно.
Слои обмоток в трансформаторе проложены трансформаторной бумагой, пропитанной парафином, при сматывании витков, снимайте её аккуратно, не рвите. При намотке используйте эту бумагу снова.
Трансформаторы от ламповых телевизоров – это «сила», главное ума много не надо. С их использованием получаются отличные зарядные устройства, мощные блоки питания, как в составе конструируемых аппаратов, так и используемые самостоятельно.
Рассчитывать трансформатор меня научили еще в профессиональном училище в 1972году.Расчет приблизительный, но его вполне достаточно для практических конструкций радиолюбителей. Все результаты расчета округляются в ту сторону, при которой обеспечивается наибольшая надежность. И так начнем. Вам например нужен трансформатор на 12В и ток 1А т.е. на мощность Р2 = 12В х 1А = 12ВА. Это мощность вторичной обмотки. Если обмоток не одна, то общая мощность равна сумме мощностей всех вторичных обмоток.
Так как КПД трансформатора примерно 85%, то мощность забираемая от первичной сети первичной обмоткой будет в 1,2раза больше мощности вторичных обмоток и равна Р1 = 1,2 х Р2 = 14,4ВА. Далее, исходя из полученной мощности можно примерно прикинуть, какой нужен сердечник.
Sс=1,3√Р1, где Sс — площадь сечения сердечника, Р1 — мощность первичной обмотки.Данная формула справедлива для сердечников с Ш-образными пластинами и с обычным окном т.к. не учитывает площади последнего. От величины, которой в той же степени, что и от площади сердечника, зависит мощность трансформатора.
Для сердечников с уширенным окном этой формулой пользоваться нельзя. Так же в формулах заложена частота первичной сети 50Гц. Итак мы получили:Sс = 1,3 х √14,4 = 4,93см. Примерно 5 квадратных сантиметров. Можно конечно взять сердечник и побольше, что обеспечит бо"льшую надежность. Зная площадь сечения сердечника можно определить число витков на один вольт. W1вольт = 50/Sс это для нашего случая значит, чтобы получить на выходе трансформатора 12 вольт нам надо намотать W2 = U2 х 50/Sс= 12 х 50/5= 120 витков. Естественно количество витков первичной обмотки будет равно W1вольт х 220 вольт. Получаем 2200 витков.
D2 = 0,7 х √I2 ; где I2 — ток вторичной обмотки в амперах.
D2 = 0,7 х √1 = 0,7 мм.
Для определения диаметра провода первичной обмотки находим ток через её протекающий. I1 = Р1/U1 = 0,065А.
D1 = 0,7 х √0,065 = 0,18 мм.
Вот и весь расчет. Главным недостатком его является то, что нет возможности определить уберутся ли обмотки в окне сердечника, в остальном все в порядке.
И еще чуть-чуть. От коэффициента «50» в формуле расчета количества витков на один вольт зависит общее количество витков обмоток, в конкретном случае, чем больше вы выбираете этот коэффициент, тем больше витков в первичной обмотке, тем меньше ток покоя трансформатора, тем меньше его разогрев, тем меньше внешнее магнитное поле рассеяния, тем меньше наводок на монтаж радиоаппаратуры. Это очень актуально, когда вы занимаетесь аналоговыми системами. Однажды, давным-давно, когда ревербераторы были еще магнитофонными, ко мне обратились друзья одного из ВИА. У ревербератора, который они приобрели был повышенный фон переменного напряжения и довольно сильный. Увеличение емкости электролитических конденсаторов в фильтре блока питания ни к чему не привело. Пробовал экранировать платы — ноль. Когда открутил транс и стал менять его расположение относительно монтажа, стало ясно, что причиной фона является его магнитное поле рассеяния. И вот тогда я и вспомнил про этот «50». Разобрал тр-р. Определил, что для расчета количества витков использовался коэффициент 38. Пересчитал тр-р с коэфф. равным 50, домотал к обмоткам необходимое число витков(благо место позволяло) и фон пропал. Так что, если вы занимаетесь УНЧ аппаратурой и тем более имеющей чувствительные входа, то советую выбирать этот коэффициент вплоть до 60.
И еще чуть-чуть. Это уже о надежности. Допустим, что вы имеете трансформатор с числом витков первичной обмотки на 220В для коэффициента равного 38, а я намотал число витков для коэффициента 55. Т.е. мое количество витков будет больше вашего примерно в полтора раза, значит и перегрузка сети в 220 х 1,45 = 318 вольт будет ему «по плечу». При увеличении этого коэффициента уменьшается напряжение между соседними витками и между слоями обмотки, a это уменьшает вероятность межвитковых и междуслоевых пробоев. Между тем его увеличение ведет к увеличению активного сопротивления обмоток, увеличению затрат на медь. Так что все должно быть в разумных пределах. Для расчета трансформаторов написано уже много программ и анализируя их, приходишь к выводу, что многие авторы выбирают минимальный коэффициент. Если у Вашего трансформатора, есть место для увеличения количества витков, обязательно увеличьте. До свидания. К.В.Ю.
Загрузка...
