Радиолюбители всегда сталкиваются с необходимостью снижения напряжения в сети переменного тока 220 В до определенных размеров, когда подбирается блок питания для полупроводниковых схем и конструкций. Конечно, в любом специализированном магазине можно приобрести готовый прибор. Но проще и дешевле собрать его своими руками. К тому же сам процесс сборки достаточно интересный. Но как показывает практика, в основе сборки лежит расчет трансформатора, он же блок питания. Поэтому стоит поговорить именно о проводимых расчетах, то есть, разобраться с формулами и указать на нюансы.
На рисунке 2 показано, как вторичная обмотка заканчивается низким омическим амперметром. Во многих случаях ток будет измеряться косвенно с помощью вольтметра и нагрузочного резистора. Этот нагрузочный резистор должен быть как можно ниже. Низкий резистор с омической нагрузкой будет поддерживать напряжение на вторичной стороне. И поскольку правила для трансформаторов тока такие же, как для каждого другого трансформатора, первичное напряжение представляет собой преобразованное напряжение напряжения на вторичной стороне.
Если посмотреть на трансформатор с внешней стороны, то это Ш-образное устройство, состоящее из металлического сердечника, картонного или пластикового каркаса и обмотки из медной проволоки. Обмоток две.
Сердечник – это несколько стальных пластин, которые обработаны специальным лаком и соединены между собой. Лак наносится специально, чтобы между пластинами не проходило напряжение. Таким способом борются с так называемыми вихревыми токами (токами Фуко). Все дело в том, что токи Фуко просто будут нагревать сам сердечник. А это потери.
При изготовлении амперметров они нацелены на низкое возможное напряжение нагрузки. Когда используется трансформатор тока, первичное падение напряжения может поддерживаться на низком уровне, увеличивая коэффициент поворота и низкий оконечный резистор. Основной импеданс рассчитывается по первичному напряжению и току. Этот первичный импеданс определяется непосредственно из резистора вторичной нагрузки и коэффициента поворота. Если уравнения 1 - 4 объединяются.
В предыдущей главе описывался идеальный трансформатор тока. Практический трансформатор имеет ограниченную полосу пропускания, которая зависит от нагрузочного резистора и амплитуды возбуждения. Для объяснения поведения трансформатора тока упрощенная модель рисуется на рисунке.
Именно с потерями связан и состав пластин сердечника. Трансформаторное железо (так чаще всего называют сталь для сердечника специалисты), если посмотреть ее в разрезе, состоит из больших кристаллов, которые, в свою очередь, изолированы друг от друга окисной пленкой.
Трансформатор идеален. Ограничение полосы пропускания на нижнем конце связано с комбинацией напряжения на вторичном резисторе нагрузки и длительных периодах времени. Более высокий нагрузочный резистор вызовет более высокое вторичное напряжение относительно резистора с низкой нагрузкой при том же значении тока. Текущее изменение обмотки намагничивания в результате первичного напряжения. Фаза этого тока намагничивания сдвигается на 90 ° относительно тока во вторичном нагрузочном резисторе. А так как амплитуда тока намагниченности станет больше на более низких частотах, это будет иметь два заметных последствия.
Назначение и функциональность
Итак, какие функции выполняет трансформатор?
- Это снижение напряжения до необходимых параметров.
- С его помощью снижается гальваническая развязка сети.
Что касается второй функции, то необходимо дать пояснения. Обе обмотки (первичная и вторичная) трансформатора тока между собой напрямую не соединены. Значит, сопротивление прибора, по сути, должно быть бесконечным. Правда, это идеальный вариант. Соединение же обмоток происходит через магнитное поле, создаваемой первичной обмоткой. Вот такой непростой функционал.
Трансформатор тока с перегрузкой
Вторичный ток станет меньше по отношению к первичному току, фазовый сдвиг между первичным и вторичным током станет больше, как видно на рисунке. 
То, что ток намагничивания становится все больше на более низких частотах, также влияет на усиление напряженности магнитного поля. Ядро все больше движется в направлении насыщения, что приводит к искажению вторичного тока, а также первичного и вторичного напряжения. Результат этого показан на рисунке.
Расчет
Существует несколько видов расчетов, которыми пользуются профессионалы. Для новичков все они достаточно сложные, поэтому рекомендуем так называемый упрощенный вариант. В его основе лежат четыре формулы.
Формула закона трансформации
Итак, закон трансформации определяется нижеследующей формулой:
Обмотки трансформатора никогда не связаны на 100% магнитными. Линии магнитного поля одной обмотки, которые не достигают другой обмотки, называются полем утечки. Эти индуктивности утечки влияют на поведение на более высоких частотах. Поскольку они соединены последовательно с идеальным трансформатором, они будут вызывать увеличение импеданса на более высоких частотах.
Поэтому эффективный первичный импеданс увеличивается. Свойства трансформатора тока, описанного в этой главе, относятся к домашнему, как показано на рисунке. Омическое сопротивление этой обмотки составляет 320 мОм. Первичная обмотка представляет собой провод, вставленный в отверстие в сердечнике, и имеет омическое сопротивление 3, 6 мОм.
U1/U2=n1/n2, где
- U1 – напряжение на первичной обмотке,
- U2 – на вторичной,
- n1 – количество витков на первичной обмотке,
- n2 – на вторичной.
Так как разбирается именно сетевой трансформатор, то напряжение на первичной обмотке у него будет 220 вольт. Напряжение же на вторичной обмотке – это необходимый для вас параметр. Для удобства расчета берем его равным 22 вольт. То есть, в данном случае коэффициент трансформации будет равен 10. Отсюда и количество витков. Если на первичной обмотке их будет 220, то на вторичной 22.
Разность фаз измеряется между основным напряжением и током, а также фазовая зависимость между первичным током и вторичным напряжением. На рисунке 6 показана ошибка преобразования как функция частоты с двумя различными резисторами нагрузки. Это дает понять, что резистор с низкой нагрузкой является преимуществом для полосы пропускания. Текущая зависящая ошибка в нижнем диапазоне частот отображается на рисунке. При более высоких токах развитие в сторону большей ошибки преобразования является более резким, чем при меньших токах.
Это связано с увеличением намагниченности ядра. Больший ток вызывает относительный резкий переход к насыщенному ядру и вызывает много искажений. Рисунок 6: Ошибка трансформации трансформатора тока. Рисунок 7: Ток в зависимости от трансформации. Основной импеданс как функция частоты показан на рисунке. Центральная часть импедансной характеристики плоская. Основной импеданс равен преобразованному сопротивлению вторичной нагрузки. Сопротивление уменьшается на более низких частотах, поскольку ток намагничивания теперь играет относительно большую роль.
Представьте, что прибор, который будет подсоединен через трансформатор, потребляет нагрузку в 1 А. То есть, на вторичную обмотку действует именно этот параметр. Значит, на первичную будет действовать нагрузка 0,1 А, потому что напряжение и сила тока находятся в обратной пропорциональности.
А вот мощность, наоборот, в прямой зависимости. Поэтому на первичную обмотку будет действовать мощность: 220×0,1=22 Вт, на вторичную: 22×1=22 Вт. Получается, что на двух обмотках мощность одинаковая.
И поскольку ядро трансформатора становится перегруженным, а приведенное искажение напряжения и тока затрудняет вычисление импеданса и его ошибки. Более высокие токи оказывают еще большее влияние на эту ошибку, как видно на рисунке. В более высокочастотном диапазоне возрастает роль коэффициента пары между первичной и вторичной обмотками.
Относительное увеличение тока намагничивания на более низких частотах приведет к зависящей от частоты фазовой ошибке между первичным и вторичным токами. Что такое понижающий трансформатор: это тот, чье вторичное напряжение меньше его первичного напряжения. Он предназначен для снижения напряжения от первичной обмотки до вторичной обмотки. Этот тип трансформатора «понижает» наложенное на него напряжение.
Внимание! Если в собираемом вами трансформаторе не одна вторичная обмотка, то мощность первичной состоит из суммы мощностей вторичных.
Что касается количества витков, то рассчитать их на один вольт не составит большого труда. В принципе, это можно сделать методом «тыка». К примеру, наматываете на первичную обмотку десять витков, проверяете на ней напряжение и полученный результат делите на десять. Если показатель совпадает с необходимым для вас напряжением на выходе, то, значит, вы попали в яблочко. Если напряжение снижено, значит, придется увеличить количество витков, и наоборот.
В качестве понижающего блока трансформатор преобразует высоковольтную маломощную мощность в высоковольтную высоковольтную мощность. Провод большего размера, используемый во вторичной обмотке, необходим из-за увеличения тока. Первичная обмотка, которая не должна проводить столько тока, может быть выполнена из проволоки меньшего размера.
Как подключить трансформатор вниз
Понижающие трансформаторы обычно используются для преобразования 220-вольтового электричества, обнаруженного в большинстве районов мира, в 110 вольт, требуемых североамериканским оборудованием. Соблюдайте и определите схему и рейтинг устанавливаемого понижающего трансформатора. Только высокие типы тока будут иметь этот корпус, а трансформаторы с низким напряжением будут иметь открытую винтовую клемму. Взаимосвязь трансформатора будет меняться в зависимости от производителя и напряжения, используемого для питания трансформатора. Сначала заверните провода питания питания, разрезая провода на длину. Если вы используете большие проволочные наконечники, обязательно учитывайте длину наконечника и количество провода, которое может быть вставлено в зону обжатия женщины. Снимите наружную изоляцию проводов с помощью карманного ножа или стрипов. Вставьте глазное кольцо или проволочный наконечник поверх оголенного медного провода и обмотайте соединительное устройство, используя зажим для соответствующего размера, постоянно на провод. Завершите высокую сторону, высокое напряжение понижающего трансформатора. Если верхние боковые клеммы являются болтами, обязательно соблюдайте требования к крутящему моменту, указанные производителем. Завершите низкую сторону, низкое напряжение трансформатора. Следуйте индивидуальным схемам производителя для данного типа трансформатора. Замените все крышки трансформатора и любые корпуса, которые защищают вас от электричества. Примените высокое напряжение к трансформатору, включив цепь питания фидера. Включите управление цепью безопасности на нижней стороне. Используйте измеритель вольтметра для проверки правильного напряжения на понижающей стороне трансформатора.
Как проверить переходный трансформатор
Напишите терминал, к которому подключены провода, и поместите идентифицированную ленту на конец провода. Счетчик должен читать бесконечные омы или широко открывать. Бесконечные омы на цифровом счетчике будут идентифицированы как пустой экран или широко открытое будет отображаться слово «Открыть». Если счетчик регистрирует любую форму сопротивления, возникает внутренняя проблема с обмотками. Медные катушки могут быть закорочены на металлический каркас трансформатора. Трансформатор необходимо будет заменить. Проверьте непрерывность каждой отдельной катушки, используя омметр. Счетчик должен дать показание сопротивления. Как правило, он должен считываться в диапазоне от 3 до 100 Ом, в зависимости от стиля и типа трансформатора. Вы должны получить те же результаты. Если измеритель считывает бесконечные омы или широко раскрывается при проверке между клеммами той же катушки, провода сломаются. Замените трансформатор. Используйте омметр для проведения изоляции изоляции трансформатора. Счетчик должен читать бесконечные омы или широко разомкнутую цепь. Выполните те же тесты, но для Н2 и Х2 соответственно. Если какое-либо сопротивление считывается на счетчике, отличном от широко разомкнутого контура, изоляция трансформатора была скомпрометирована и должна быть заменена.- Снимите крышку клеммной коробки, расположенную на нижней стороне трансформатора.
- Это справедливо независимо от размера трансформатора.
- Удалите все провода с клемм трансформатора с помощью отвертки.
- Определите провода, если они еще не определены.
- Прикоснитесь к черному выводу к металлической раме трансформатора.
И еще один нюанс. Специалисты рекомендуют наматывать витки с небольшим запасом. Все дело в том, что на самих обмотках всегда присутствуют потери напряжения, которые необходимо компенсировать. К примеру, если вам нужно напряжение на выходе 12 вольт, то расчет количества витков проводится из расчета напряжения в 17-18 В. То есть, компенсируются потери.
Переменный ток полностью заменен постоянным током для передачи и распределения мощности. Для получения более высоких напряжений генератор переменного тока лучше, чем генератор постоянного тока. Трансформатор представляет собой электрическое устройство для передачи электрической энергии одной цепи в другую схему без изменения частоты. Он широко использует в переменном токе сейчас несколько дней.
Другими словами, трансформатор представляет собой электрическую машину, которая повышает или понижает напряжение переменного тока с соответствующим уменьшением или увеличением тока. Он имеет две обмотки, первичные и вторичные на общем ламинированном магнитном сердечнике, показанные на рисунке.
Площадь сердечника
Как уже было сказано выше, мощность блока питания – это сумма мощностей всех его вторичных обмоток. Это основа выбора самого сердечника и его площади. Формула такая:
В этой формуле мощность устанавливается в ваттах, а площадь получается в сантиметрах квадратных. Если сам сердечник имеет Ш-образную конструкцию, то сечение берется среднего стержня.
Обратите внимание! Все полученные расчетным путем параметры имеют неокругленную цифру, поэтому округлять надо обязательно и всегда только в большую сторону. К примеру, расчетная мощность получилась 35,8 Вт, значит, округляем до 40 Вт.
Количество витков в первичной обмотке
Здесь используется следующая формула:
n=50*U1/S, понятно, что U1 равно 220 В.
Кстати, эмпирический коэффициент «50» может изменяться. К примеру, чтобы блок питания не входил в насыщение и тем самым не создавал лишних помех (электромагнитных), то лучше в расчете использовать коэффициент «60». Правда, это увеличит число витков обмотки, трансформатор станет немного больше в размерах, но при этом снизятся потери, а, значит, режим работы блока питания станет легче. Здесь важно, чтобы количество обмоток уместилось.
Сечение провода
И последняя четвертая формула касается сечения используемого медного провода в обмотках.
d=0,8*√I, где d – это диаметр провода, а «I» — сила тока в обмотке.
Расчетный диаметр необходимо также округлить до стандартной величины.
Итак, вот четыре формулы, по которым проводится подбор трансформатора тока. Здесь неважно покупаете ли вы готовый прибор или собираете его самостоятельно. Но учтите, что такой расчет подходит только для сетевого трансформатора, который будет работать от сети в 220 В и 50 Гц.
Для высокочастотных приборов используются совершенно другие формулы, где придется проводить расчет потерь трансформатора тока. Правда, формула коэффициента трансформации и у него точно такая же. Кстати, в этих устройствах устанавливается ферромагнитный сердечник.
Заключение по теме
В этой статье мы постарались ответить на вопрос, как рассчитать трансформатор сетевого типа? Данный принцип подбора является упрощенным. Но для практических целей он даже очень достаточный. Так что новичкам лучше использовать именно его, и не лезть в дебри математических выкладок с большим количеством составляющих. Конечно, в нем не учитываются все потери, но округления показателей компенсируют их.
Похожие записи:
Иногда приходится самостоятельно изготовлять силовой трансформатор для выпрямителя. В этом случае простейший расчет силовых трансформаторов мощностью до 100-200 Вт проводится следующим образом.
Зная напряжение и наибольший ток, который должна давать вторичная обмотка (U2 и I2), находим мощность вторичной цепи: При наличии нескольких вторичных обмоток мощность подсчитывают путем сложения мощностей отдельных обмоток.
Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в сердечнике. Поэтому от значения мощности Р1 зависит площадь поперечного сечения сердечника S, которая возрастает при увеличении мощности. Для сердечника из нормальной трансформаторной стали можно рассчитать S по формуле:
где s - в квадратных сантиметрах, а Р1 - в ваттах.
По значению S определяется число витков w" на один вольт. При использовании трансформаторной стали
Если приходится делать сердечник из стали худшего качества, например из жести, кровельного железа, стальной или железной проволоки (их надо предварительно отжечь, чтобы они стали мягкими), то следует увеличить S и w" на 20-30 %.
и т.д.
В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на сопротивлении вторичных обмоток. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного.
Ток первичной обмотки
Диаметры проводов обмоток определяются по значениям токов и исходя из допустимой плотности тока, которая для трансформаторов принимается в среднем 2 А/мм2. При такой плотности тока диаметр провода без изоляции любой обмотки в миллиметрах определяется по табл. 1 или вычисляется по формуле:
Когда нет провода нужного диаметра, то можно взять несколько соединенных параллельно более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу. Площадь поперечного сечения провода определяется по табл. 1 или рассчитывается по формуле:
Для обмоток низкого напряжения, имеющих небольшое число витков толстого провода и расположенных поверх других обмоток, плотность тока можно увеличить до 2,5 и даже 3 А/мм2, так как эти обмотки имеют лучшее охлаждение. Тогда в формуле для диаметра провода постоянный коэффициент вместо 0,8 должен быть соответственно 0,7 или 0,65.
В заключение следует проверить размещение обмоток в окне сердечника. Общая площадь сечения витков каждой обмотки находится (умножением числа витков w на площадь сечения провода, равную 0,8d2из, где dиз - диаметр провода в изоляции. Его можно определить по табл. 1, в которой также указана масса провода. Площади сечения всех обмоток складываются. Чтобы учесть ориентировочно неплотность намотки, влияние каркаса изоляционных прокладок между обмотками и их слоями, нужно найденную площадь увеличить в 2-3 раза. Площадь окна сердечника не должна быть меньше значения, полученного из расчета.
Таблица 1
В качестве примера рассчитаем силовой трансформатор для выпрямителя, питающего некоторое устройство с электронными лампами. Пусть трансформатор должен иметь обмотку высокого напряжения, рассчитанную на напряжение 600 В и ток 50 мА, а также обмотку для накала ламп, имеющую U = 6,3 В и I = 3 А. Сетевое напряжение 220 В.
Определяем общую мощность вторичных обмоток:
Мощность первичной цепи
Находим площадь сечения сердечника из трансформаторной стали:
Число витков на один вольт
Ток первичной обмотки
Число витков и диаметр проводов обмоток равны:
Для первичной обмотки
Для повышающей обмотки
Для обмотки накала ламп
Предположим, что окно сердечника имеет площадь сечения 5x3 = 15 см2 или 1500 мм2, а у выбранных проводов диаметры с изоляцией следующие: d1из = 0,44 мм; d2из = 0,2 мм; d3из = 1,2 мм.
Проверим размещение обмоток в окне сердечника. Находим площади сечения обмоток:
Для первичной обмотки
Для повышающей обмотки
Для обмотки накала ламп
Общая площадь сечения обмоток составляет примерно 430 мм2.
Как видно, она в три с лишним раза меньше площади окна и, следовательно, обмотки разместятся.
Расчет автотрансформатора имеет некоторые особенности. Его сердечник надо рассчитывать не на полную вторичную мощность Р2, а только на ту ее часть, которая передается магнитным потоком и может быть названа трансформируемой мощностью Рт.
Эта мощность определяется по формулам:
Если автотрансформатор имеет отводы и будет работать при различных значениях n, то в расчете надо брать значение п, наиболее отличающееся от единицы, так как в этом случае значение Рт будет наибольшее и надо, чтобы сердечник мог передать такую мощность.
Затем определяется расчетная мощность Р, которая может быть принята равной 1,15 Рт. Множитель 1,15 здесь учитывает КПД автотрансформатора, который обычно несколько выше, чем у трансформатора. Д
алее применяются формулы расчета площади сечения сердечника (по мощности Р), числа витков на вольт, диаметров проводов, указанные выше для трансформатора. При этом надо иметь в виду, что в части обмотки, являющейся общей для первичной и вторичной цепей, ток равен I1 - I2, если автотрансформатор повышающий, и I2 - I1 если он понижающий.