Jednym z powszechnie stosowanych urządzeń w dziedzinie energetyki, elektroniki i radiotechniki jest transformator. Często niezawodność urządzeń jako całości zależy od jego parametrów. Zdarza się, że w przypadku awarii transformatora lub przy niezależnej produkcji urządzeń radiowych nie można znaleźć urządzenia o parametrach niezbędnych do produkcji seryjnej. Dlatego konieczne jest samodzielne przeprowadzenie obliczeń transformatora i jego produkcji.

Zasada działania urządzenia

Transformator to urządzenie elektryczne zaprojektowane do przesyłania energii bez zmiany jej kształtu i częstotliwości. Wykorzystując w swojej pracy zjawisko indukcji elektromagnetycznej, urządzenie służy do konwersji sygnału przemiennego lub do izolacji galwanicznej. Każdy transformator składa się z następujących elementów konstrukcyjnych :

  • rdzeń;
  • uzwojenia;
  • rama do lokalizacji uzwojeń;
  • izolator;
  • dodatkowe elementy zapewniające sztywność urządzenia.

Zasada działania dowolnego urządzenia transformatorowego opiera się na wpływie pojawienia się pola magnetycznego wokół przewodnika z przepływającym przez niego prądem elektrycznym. Takie pole występuje również wokół magnesów. Prąd to ukierunkowany przepływ elektronów lub jonów (ładunków). Biorąc drutowy przewodnik i nawijając go na cewkę i podłączając potencjalne urządzenie pomiarowe do jego końców, można zaobserwować skok amplitudy napięcia, gdy cewka jest umieszczona w polu magnetycznym. Sugeruje to, że gdy pole magnetyczne działa na cewkę z uzwojonym przewodnikiem, uzyskuje się źródło energii lub jego przetwornik.

W urządzeniu transformatorowym taka cewka nazywa się pierwotną lub zasilającą . Jest przeznaczony do tworzenia pola magnetycznego. Należy zauważyć, że takie pole musi zawsze zmieniać kierunek i wielkość, to znaczy być zmienne.

Klasyczny transformator składa się z dwóch cewek i obwodu magnetycznego, który je łączy. Gdy sygnał przemienny zostanie przyłożony do styków cewki pierwotnej, powstały strumień magnetyczny przez obwód magnetyczny (rdzeń) jest przekazywany do drugiej cewki. W ten sposób cewki są połączone magnetycznymi liniami siły. Zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznej, gdy zmienia się pole magnetyczne, w cewce indukowana jest zmienna siła elektromotoryczna (EMF). Dlatego samoindukcyjna EMF występuje w cewce pierwotnej, a wzajemna indukcja w wtórnej EMF.

Liczba zwojów uzwojenia określa amplitudę sygnału, a średnica drutu jest największą siłą prądową. Jeśli cewki są równe na cewkach, poziom sygnału wejściowego będzie równy mocy wyjściowej. W przypadku, gdy cewka wtórna ma trzykrotnie więcej zwojów, amplituda sygnału wyjściowego będzie trzykrotnie większa niż na wejściu - i odwrotnie.

Ogrzewanie całego urządzenia zależy od przekroju drutu zastosowanego w transformatorze. Możliwe jest wybranie właściwej sekcji za pomocą specjalnych tabel z katalogów, ale łatwiej jest skorzystać z kalkulatora transformatora online.

Stosunek całkowitego strumienia magnetycznego do strumienia jednej cewki określa siłę sprzężenia magnetycznego. Aby go zwiększyć, uzwojenia cewek są umieszczone w zamkniętym obwodzie magnetycznym. Wykonany jest z materiałów o dobrej przewodności elektromagnetycznej, na przykład ferryt, alsifer, żelazo karbonylowe. Tak więc w transformatorze powstają trzy obwody: elektryczny - utworzony przez przepływ prądu w cewce pierwotnej, elektromagnetyczny - tworzący strumień magnetyczny, a drugi elektryczny - związany z pojawieniem się prądu w cewce wtórnej, gdy do niej podłączony jest ładunek.

Prawidłowe działanie transformatora zależy również od częstotliwości sygnału . Im jest większy, tym mniej strat występuje podczas transferu energii. A to oznacza, że ​​rozmiar obwodu magnetycznego zależy od jego wartości: im wyższa częstotliwość, tym mniejsze urządzenie. W oparciu o tę zasadę konstruowane są konwertery impulsów, których wytwarzanie wiąże się z trudnościami rozwojowymi, dlatego kalkulator jest często używany do obliczania transformatora wzdłuż sekcji rdzenia, co pomaga pozbyć się ręcznych błędów obliczeniowych.

Rodzaje rdzeni

Transformatory różnią się między sobą nie tylko zakresem, właściwościami technicznymi i rozmiarami, ale także rodzajem obwodu magnetycznego. Bardzo ważnym parametrem wpływającym na wielkość pola magnetycznego, oprócz stosunku zwojów, jest rozmiar rdzenia. Zdolność nasycenia zależy od jego wartości. Efekt nasycenia występuje, gdy wraz ze wzrostem prądu w cewce wielkość strumienia magnetycznego pozostaje niezmieniona, tj. Moc się nie zmienia.

Aby zapobiec wystąpieniu efektu nasycenia, konieczne jest prawidłowe obliczenie objętości i przekroju rdzenia, którego wielkość zależy od mocy transformatora. Dlatego im większa moc transformatora, tym większy powinien być jego rdzeń.

Z założenia rdzeń dzieli się na trzy główne typy:

  • kluczowy;
  • opancerzony;
  • toroidalny.

Rdzeń magnetyczny ma kształt litery U lub litery W. Jest on złożony z prętów połączonych razem przez jarzmo. Aby chronić cewki przed wpływem zewnętrznych sił elektromagnetycznych, stosuje się opancerzone rdzenie magnetyczne. Ich jarzmo znajduje się na zewnątrz i zamyka pręt cewką. Toroidalny wygląd wykonany jest z metalowych pasków. Takie rdzenie, ze względu na konstrukcję pierścieni, są najbardziej opłacalne ekonomicznie.

Znając kształt rdzenia, łatwo jest obliczyć moc transformatora. Można go znaleźć według prostej formuły: P = (S / K) * (S / K), gdzie:

  • S to pole przekroju rdzenia.
  • K jest stałym współczynnikiem równym 1, 33.

Obszar rdzenia zależy od jego typu, jego jednostka miary to centymetr kwadratowy. Wynik mierzony jest w watach. Ale w praktyce często konieczne jest obliczenie przekroju rdzenia zgodnie z wymaganą mocą transformatora: Sс = 1, 2√P, cm2. Na podstawie wzorów możemy potwierdzić wniosek: im większa moc produktu, tym bardziej wymiarowo wykorzystywany jest rdzeń.

Typowe obliczanie parametrów

Dość często radioamatorzy stosują uproszczoną technikę przy obliczaniu transformatora. Umożliwia wykonywanie obliczeń w domu bez korzystania z trudnych do znalezienia wartości. Ale łatwiej jest skorzystać z kalkulatora online, gotowego do obliczenia transformatora. Aby skorzystać z takiego kalkulatora, musisz znać niektóre dane, a mianowicie:

  • napięcie uzwojenia pierwotnego i wtórnego;
  • ogólne wymiary rdzenia;
  • grubość płyty.

Po ich wprowadzeniu musisz kliknąć przycisk „Oblicz” lub podobny w nazwie i poczekać na wynik.

Rodzaj rdzenia

W przypadku braku możliwości obliczania na kalkulatorze samodzielne przeprowadzenie takiej operacji jest proste i ręczne. Aby to zrobić, musisz określić napięcie na wyjściu uzwojenia wtórnego U2 i wymaganą moc Po. Obliczenia są następujące:

  1. Prąd obciążenia jest obliczany: In = Po / U2, A.
  2. Obliczana jest wartość prądu wtórnego: I2 = 1, 5 * In, A.
  3. Moc uzwojenia wtórnego jest określona: P2 = U2 * I2, W.
  4. Znaleziono całkowitą moc urządzenia: PT = 1, 25 * P2, W.
  5. Obliczany jest prąd pierwotny: I1 = PT / U1, A.
  6. Znaleziono wymagany przekrój obwodu magnetycznego: S = 1, 3 * √ Pt, cm².

Należy zauważyć, że jeśli zbudowane jest urządzenie z kilkoma zaciskami w uzwojeniu wtórnym, to w akapicie czwartym sumuje się wszystkie moce, a ich wynik zastępuje się zamiast P2.

Po zakończeniu pierwszego etapu przejdź do następnego etapu obliczeń. Liczba zwojów uzwojenia pierwotnego wynika ze wzoru: K1 = 50 * U1 / S. A liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest określona przez wyrażenie K2 = 55 * U2 / S, gdzie:

  • U1 - napięcie uzwojenia pierwotnego, V.
  • S - powierzchnia rdzenia, cm².
  • K1, K2 - liczba zwojów w uzwojeniach, szt.

Pozostaje obliczyć średnicę nawiniętego drutu. Jest równy D = 0, 632 * √ I, gdzie:

  • d - średnica drutu, mm.
  • I - prąd uzwojenia obliczonej cewki A.

Wybierając obwód magnetyczny, należy zachować stosunek 1 do 2 szerokości rdzenia do jego grubości. Pod koniec obliczeń przeprowadzana jest kontrola zajętości, tj. Czy uzwojenie będzie pasować do ramy. W tym celu obszar okna oblicza się według wzoru: So = 50 * Pt, mm2.

Funkcje autotransformatora

Autotransformatory są obliczane podobnie do prostych transformatorów, tylko rdzeń jest określany nie dla całej mocy, ale dla mocy różnicy napięć.

Na przykład moc obwodu magnetycznego wynosi 250 W, przy wejściu 220 woltów, moc wyjściowa wymaga 240 woltów. Różnica napięcia wynosi 20 V, przy mocy 250 W, prąd będzie wynosił 12, 5 A. Ta wartość prądu odpowiada mocy 12, 5 * 240 = 3000 watów. Pobór prądu wynosi 12, 5 + 250/220 = 13, 64 A, co odpowiada dokładnie 3000 W = 220 V * 13, 64 A. Transformator ma jedno uzwojenie 240 V z odczepem 220 V, który jest podłączony do sieci. Odcinek między wylotem a wylotem jest uzwojony drutem o napięciu znamionowym 12, 5 A.

Zatem autotransformator pozwala uzyskać znacznie większą moc na wyjściu niż transformator na tym samym rdzeniu o małym współczynniku transmisji.

Transformator toroidalny

Transformatory toroidalne mają kilka zalet w porównaniu do innych typów: mniejszy rozmiar, mniejszy ciężar, a jednocześnie większa wydajność. Jednocześnie można je łatwo nawijać i przewijać. Użycie kalkulatora online do obliczenia transformatora toroidalnego pozwala nie tylko skrócić czas produkcji produktu, ale także eksperymentować w locie z różnymi danymi wejściowymi. Ponieważ takie dane są wykorzystywane:

  • napięcie wejściowe uzwojenia, V;
  • napięcie wyjściowe uzwojenia, V;
  • wyjściowy prąd uzwojenia, A;
  • zewnętrzna średnica torusa, mm;
  • średnica wewnętrzna torusa, mm;
  • wysokość torusa, mm.

Należy zauważyć, że prawie wszystkie programy online nie wykazują szczególnej dokładności w przypadku obliczania transformatorów impulsowych. Aby uzyskać wysoką dokładność, możesz użyć specjalnie opracowanych programów, na przykład Lite-CalcIT, lub obliczyć ręcznie. Do niezależnych obliczeń stosuje się następujące wzory:

  1. Moc wyjściowa uzwojenia: P2 = I2 * U2, W.
  2. Moc całkowita: Pg = P2 / Q, W. Gdzie Q jest współczynnikiem pobranym z katalogu (0, 76-0, 96).
  3. Rzeczywisty przekrój „żelazny” w miejscu cewki: Sch = ((Dd) * h) / 2, mm2.
  4. Obliczony przekrój „żelaza” w miejscu cewki: Sw = √Pq / 1, 2, mm2
  5. Obszar okna torusa: Sfh = d * s * π / 4, mm2.
  6. Wartość prądu roboczego uzwojenia wejściowego: I1 = P2 / (U1 * Q * cosφ), A, gdzie cosφ jest wartością odniesienia (od 0, 85 do 0, 94).
  7. Przekrój drutu znajduje się osobno dla każdego uzwojenia z wyrażenia: Sp = I / J, mm2., Gdzie J jest gęstością prądu pobraną z katalogu (od 3 do 5).
  8. Liczba zwojów uzwojenia jest obliczana osobno dla każdej cewki: Wn = 45 * Un * (1-Y / 100) / Bm * Sch szt., Gdzie Y jest wartością tabelaryczną, która zależy od całkowitej mocy uzwojeń wyjściowych.
  9. Pozostaje znaleźć moc wyjściową, a obliczenia toroidalnego transformatora mocy uważa się za zakończone. Pout = Bm * J * Kok * Kct * Sch * Sfh / 0, 901, gdzie: Bm jest indukcją magnetyczną, Kok jest współczynnikiem wypełnienia drutem, Kct jest współczynnikiem wypełnienia żelazem.

Wszystkie wartości współczynników są pobierane z katalogu urządzeń radiowych (CEA). Dlatego nie jest trudno przeprowadzać obliczenia w trybie ręcznym, ale wymagana będzie dokładność i dostęp do danych referencyjnych, dzięki czemu korzystanie z usług online jest znacznie łatwiejsze.

Zalecenia dotyczące montażu i uzwojenia

Podczas montażu transformatora własnymi rękami płyty rdzenia są montowane „na siebie”. Obwód magnetyczny jest przyciągany razem za pomocą tulejki lub nakrętek kołkowych. Aby nie złamać izolacji, kołki są zamykane dielektrykiem. Konieczne jest dokręcenie „żelazka” z wysiłkiem: jeśli nie wystarczy ono podczas pracy urządzenia, pojawi się przydźwięk.

Przewody są nawijane na cewkę szczelnie i równomiernie, każdy kolejny rząd jest izolowany od poprzedniego cienkim papierem lub folią dacron. Ostatni rząd jest owinięty taśmą lub lakierem. Jeśli podczas procesu nawijania zostanie wykonany kran, drut pęknie, a kurek zostanie przylutowany do szczeliny. To miejsce jest starannie odizolowane. Końce zwojów są mocowane za pomocą gwintów, które łączą druty z powierzchnią rdzenia.

Istnieje sztuczka: po uzwojeniu pierwotnym nie należy jednocześnie nawijać całego uzwojenia wtórnego. Po uzwojeniu 10-20 zwojów musisz zmierzyć wielkość napięcia na jego końcach.

Na podstawie uzyskanej wartości można sobie wyobrazić, ile zwojów jest potrzebnych do uzyskania pożądanej amplitudy napięcia wyjściowego, kontrolując w ten sposób obliczenia uzyskane podczas montażu transformatora.

Kategoria:

Technologia