Каждый радиолюбитель сталкивается с выбором трансформатора для питания различных схем и устройств, а также для создания блоков питания. С этой целью можно использовать уже готовые варианты или же рассчитать и сделать трансформатор своими руками. Необходимо понимать основное предназначение, принцип работы, а также ориентироваться и рассчитывать нужные параметры. Для выбора трансформатора используются несколько методов.
Основные понятия о трансформаторах
Основным предназначением трансформатора (Т) является преобразование переменного напряжения (U) в необходимые номиналы. Т получил широкое применение как простейший преобразователь переменного U, хотя преобразовывать можно и постоянный ток, но этот способ является экономически невыгодным. Т работает только от переменного U, и это связано с принципом его действия.
Трансформатор (Т) — преобразователь переменного входного U в необходимый номинал или номиналы для питания потребителей. Большинство потребителей питаются от постоянного тока, который получается при преобразовании переменного U в постоянное при помощи диодного моста или какого-либо другого выпрямителя. Этот преобразователь переменного U является примитивным по своему устройству, однако есть некоторые особенности конструктивного плана.
Т состоит из магнитопровода и катушек, на которые намотан медный изолированный провод. Магнитопровод изготавливается из спецстали, которая обладает ферромагнитными свойствами и называется ферромагнетиком. Основное отличие ферромагнетиков от обыкновенной стали заключается в наличии атомов, обладающих постоянными спиновыми и орбитальными моментами (СиОМ). СиОМ зависят от температуры и магнитного поля, и благодаря этому обмотки Т при работе не перегреваются из-за отсутствия токов Фуко. Специальная трансформаторная сталь с ферромагнитными свойствами сводит образование токов Фуко к минимуму, которого недостаточно для перегрева обмоток.
Самыми распространенными материалами для изготовления магнитопровода являются электротехническая трансформаторная сталь (ЭТС) и пермаллой. ЭТС отличается от обыкновенной стали и физико-химическими свойствами, так как содержит значительную массовую долю кремния (Si), который при помощи специальных технологий, предусмотренных на заводе изготовителе, соединяется с углеродом под действием высокой температуры и давления.
Эта технология изготовления ЭТС получила широкое распространение, так как используется практически во всех Т. Еще одним видом ферромагнетика для изготовления магнитопровода является пермаллой, который представляет собой соединение сплава никеля и железа, использующийся для изготовления Т небольшой мощности. Площадь магнитопровода влияет мощность (P) Т.
Обмотки являются катушками с намотанным изолированным проводом со специальным лаковым покрытием. Диаметр провода и количество витков зависит от U и тока (I), а также это влияет и на P трансформатора. Количество катушек должно быть не менее 2, однако допускается одна катушка при условии, что на нее намотаны 2 обмотки (одна из которых первичная).
Принцип работы
Принцип работы Т достаточно прост и основан на нахождении проводника с количеством витков n в переменном магнитном поле. Переменное магнитное поле (ПМП) - поле, значение и направление линий магнитного потока (Ф) которого изменяется по закону изменения значений переменного I, генерирующего его с течением времени. При прохождении тока по виткам катушки первичной обмотки (КПО) образуется Ф, пронизывающий и катушку вторичной обмотки (КВО).
Благодаря замкнутой структуре магнитопровода линии Ф являются замкнутыми. Для уменьшения потерь электрической энергии катушек обмотки располагают максимально близко друг другу. Оптимальным является использование одной катушки с 2 или более обмотками. Однако этот вариант недопустим в старых сварочных аппаратах. В этом случае катушки должны быть отдельно для повышения теплоотдачи при проведении сварочных работ. Кроме того, на силовых подстанциях используются Т с масляным охлаждением, но и у них обмотки конструктивно находятся на разных катушках.
В Т применяется закон электромагнитной индукции, при котором происходит изменение Ф и индуцирование электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции в КПО, а ЭДС, возникающая в КВО, называется ЭДС взаимоиндукции.
У Т существует 2 режима работы: холостой ход и активный (нагрузка). При холостом ходе происходит потребление I от 3 до 10% от номинального значения (Iн). При активном режиме происходит возникновение I в КВО, а следовательно, появляется магнитодвижущая сила (МДС). В этом случае возможно рассчитать основной параметр Т, который называется коэффициентом трансформации k: I1/I2 = w2/w1 = 1/k, где I1, I2 - I КПО и КВО соответственно, а w2 и w1 - количество витков КВО и КПО.
Из определения k следует еще одно соотношение взаимосвязи ЭДС обмоток (e1 и e2) и токов: e1 * I1 = e2 * I2 = 1. Исходя из этого соотношения можно сделать вывод о том, что мощность (P = e * I), которую потребляет КПО, равна мощности потребления КВО при нагрузке. Мощность Т измеряется в вольт-амперах и обозначается сокращенно «ВА».
Связь между ЭДС в обмотках прямо пропорционально зависит от количества витков. Исходя из закона Ленца, обмотки Т пронизываются одним и тем же Ф, а этот факт позволяет вычислить k еще одним способом. Основываясь на законе индукции для мгновенных значений ЭДС, получаются следующие равенства для КПО и КВО:
- e1 = - w1 * dФ/dt * E-8.
- e2 = - w2 * dФ/dt * E-8.
Соотношение dФ/dt — величина изменения Ф за единицу времени (по закону, описывающему переменное U). На основании выражений для мгновенных значений ЭДС выводится зависимость ЭДС для каждой обмотки от количества витков: e1/e2 = w1/w2. Это утверждение справедливо также и не для мгновенных показателей, отсюда следует, что e1 = U1, e2 = U2. Произведя замену величин, получаются следующие соотношения: e1/e2 = U1/U2 = w1/w2 = k.
По коэффициенту трансформации Т делятся на понижающие и повышающие. Для поиска k необходимо воспользоваться несколькими способами:
- По паспорту.
- Практическим путем.
- Применение моста Шеринга.
- Использование УИКТ.
Очень часто радиолюбители пользуются практическим определением этого параметра. Хотя он и не совсем точный. Для расчета блока питания этого способа вполне достаточно.
Паспорт к Т не всегда получается найти. Для определения k используются 2 вольтметра (1 для КПО, 2 - для КВО), затем измеряется несколько раз U на обмотках. После этого рассчитывается k при нескольких значения и берется среднее его значение.
Расчет мощности
Для выбора Т в качестве источника питания следует рассчитать допустимую мощность потребителя или группы потребителей. Существует 2 варианта побора Т: выбор по таблице и осуществление расчета. Узнать мощность трансформатора достаточно просто, необходимо воспользоваться формулой определения мощности: P = U * I. Наиболее точный вариант — выполнение расчета Т в качестве источника питания.
В наличии есть Т, полная мощность которого равна 180 ВА. Необходимо выяснить возможность его применения в качестве источника питания мощностью 160 ВА. Этот метод позволяет осуществить выбор трансформатора по мощности по таблице.
Коэффициент загрузки Т: kз = Sр/Sтр. Sр — полная расчетная мощность: Sp = P/cosф = 180/0,8 = 225 ВА. Коэффициент cosф принимается равным 0,8. Мощность силового Т Sтр = 160 ВА. Исходя из этого, kз = 225/160 = 1,4 (>1). Если взять Т мощностью 250 ВА, то kз = 225/250 = 0,9 (<1).
Максимально допустимые нагрузки при температуре 30 градусов следует выбрать из таблицы 1.
Таблица 1 - Допустимые максимальные нагрузки Т в летний период при температуре 30 градусов:
В основном Т долго работать не будет при нагрузке, а в режиме холостого хода он потребляет около 65% от номинальной мощности: S = 225 * 0,65 = 146,25 ВА.
Коэффициент К1 рассчитывается следующим образом: К1 = 146,25/160 = 0,91 (начальная нагрузка Т). По таблице при К1 = 0,9 при Sтр = 160 ВА Т проработает 0,5 часов. Этот вариант недопустим. Следовательно, необходимо выбрать Т с запасом мощности - 250 ВА.
Самостоятельный расчет
Для изготовления Т необходимой мощности следует выполнить расчет самостоятельно. Если известно U и максимальный I, который должна генерировать КВО, то P вторичной цепи рассчитывается по следующей формуле: P2 = U2 * I2. При коэффициенте полезного действия (КПД=0,8) Т мощность КПО вычисляется следующим способом: P1 = P2/0,8 = 1,25 * P2.
Передача мощности с одной обмотки на другую осуществляется при помощи Ф в магнитопроводе, следовательно, от P1 зависит площадь поперечного сечения сердечника S, который равен квадратному корню из P1 (в ваттах): S = sqrt (P1) (сантиметры квадратные). Исходя из значения S, определяется количество витков w на 1 В: w = 50/S. Число витков обмоток вычисляется по формулам: w1 = w * U1 и w2 = w * U2 + (w * U2 * 0,1).
Ток первичной обмотки рассчитывается по формуле: I1 = P1/U1. Диаметры (d) провода обмоток определяются по значениям токов, а допустимая плотность тока для Т равна 2 А/кв.мм: d = 0,8 * sqrt (I). Площадь поперечного сечения рассчитывается по формуле: S = 3,1416 * d * d/4.
Пример вычисления основных параметров
Необходимо изготовить и рассчитать Т для блока питания.
Т должен иметь следующие параметры:
- Первичная обмотка 220 В.
- Вторичные обмотки: 660 В - 100 мА и 6 В - 5 А.
- Общая мощность КВО: P2 = 660 * 0,1 + 6 * 5 = 96 Вт.
- Мощность первичной цепи: P1 = 1,25 * 96 = 120 Вт.
- Площадь сечения сердечника: S = sqrt (120) = 10,95 = 11 кв. см.
- Число витков на 1 В: w = 50/11 = 4,54 = 5.
- Ток первичной обмотки: I1 = 96/220 = 0,436 А.
Число витков и d:
- КПО: w1 = 5 * 220 = 1100 и d = 0,8 * sqrt(0,436) = 0,53 кв. мм.
- КВО - 660 В: w2 = 5 * 660 + (5 * 660 * 0,1) = 3300 + 330 = 3630 и d = 0,8 * sqrt (I) = 0,25 кв. мм.
- КВО - 6 В: w2 = 5 * 6 + (5 * 6 * 0,1) = 30 + 3 = 33 и d = 1,79 кв. мм.
Площадь поперечного сечения сердечника (выбор уже готового) составляет Sм = 5 * 4 = 20 кв. см = 2000 кв. мм. Проверка размещения обмоток, исходя из параметров магнитопровода:
- Для КПО диаметр с учетом изоляции: d1из = 0,63 мм.
- Для КВО: d2из = 0,35 мм и d2из = 1,89 мм.
Для КПО: S = 0,8 * 0,63 * 1100 = 554,4 кв. мм. Для КВО: S = 0,8 * (0,35 * 3630 + 33 * 1,89) = 1332,87 кв. мм. Общая площадь S = 554,4 + 1332,87 = 1887,27 кв. мм. Проверка выполнения неравенства: Sм > S: 2000 > 1887,27 (выполняется, следовательно, магнитопровод подходит для Т).
Таким образом, выбор трансформатора по мощности для решения конкретной задачи можно сделать при помощи таблицы или рассчитать и изготовить его самостоятельно. Последний вариант позволяет более гибко и качественно подойти к выбору Т для какого-либо потребителя. Однако подход выбора уже готового Т значительно экономит время.
