Трансформатор тороидальный своими руками: Тороидальный трансформатор своими руками: пошаговая инструкция

alexxlab

Содержание

Тороидальные трансформаторы: самостоятельная намотка, проведение расчетов

Намотка трансформатора своими руками — задача несложная, если к ней подготовиться заранее. Люди, которые изготавливают различную радиоаппаратуру или силовые инструменты, имеют потребность в трансформаторах для конкретных нужд. Поскольку далеко не всегда предоставляется возможность приобрести определенные изделия, то мастера зачастую наматывают тороидальные трансформаторы самостоятельно. Те, кто в первый раз пытаются провести обмотку, сталкиваются с трудностями: не могут определить правильность расчетов, подобрать соответствующие детали и технологию. Необходимо понимать, что разные типы наматываются по-разному.

  • Подготовка к проведению намотки
  • Необходимые материалы
  • Как ускорить рабочий процесс

Также кардинально отличаются тороидальные устройства. Расчет тороидального трансформатора и его намотка будут особыми. Так как радиолюбители и мастера создают детали под силовое оборудование, но не всегда обладают достаточными знаниями и опытом для их изготовления, то этот материал поможет данной категории людей разобраться с нюансами.

Подготовка к проведению намотки

  • В первую очередь нужно провести правильный расчет тороидального трансформатора по сечению сердечника. Вычисляется нагрузка, для этого суммируют все подключенные устройства (двигатели, передатчики и т. п. ), питание которых будет обеспечиваться. К примеру, радиостанция имеет 3 канала, мощность которых по 15, 10 и 15 Ватт. Суммарно это 40 Ватт.
  • Далее следует поправка на КПД схемы (в большинстве передатчиков около 70%). У трансформатора также имеется собственный КПД, составляющий 95%, но нужно сделать поправку на самоделку и выставить уровень КПД не более 90%. Значит, требуемая мощность возрастет до 63,5 Вт. Стандартный вес устройств с такой мощностью — до 1,5 кг.
  • Следующий шаг — определяют входное и выходное напряжение. Если 220 В — входное, а 12 В — выходное со стандартной частотой 50 Гц, количество витков составит на одну обмотку 220*0,73=161 виток (округляют до целых чисел), а снизу получится 12*0,73=9 витков.
  • Затем — определение диаметра провода. Для этого необходимо обладать информацией относительно плотности и протекания тока, на 1 кВт выставляют значение до 3 А/мм2.

Необходимые материалы

Материалы для намотки требуют тщательного выбора, важное значение имеет каждая из деталей. В частности, вам понадобятся:

  1. Каркас трансформаторный. Он используется для изоляции сердечника от обмоток, а также удерживает обмоточные катушки. Его изготавливают из прочных и тонких диэлектрических материалов, чтобы не занимать слишком много места в интервалах («окнах») сердечника. Можно воспользоваться картонками, микрофибрами, текстолитом. Толщина материала не должна быть более 2 мм. Каркас склеивают, пользуясь обычным клеем для столярных работ (нитроклеем). Его форма и размеры полностью зависят от сердечника, высота — немного больше, чем у пластины (высота обмотки).
  2. Сердечник. Эту роль, как правило, выполняют магнитопроводы. Лучшим решением станет применение пластин из разобранных трансформаторов, поскольку они произведены из подходящих сплавов и рассчитаны на некоторое количество витков. Магнитопроводы имеют разнообразную форму, но чаще всего встречаются изделия в виде буквы «Ш». Кроме того, их можно вырезать из различных заготовок, которые есть в наличии. Чтобы определить точные размеры, предварительно наматывают провода обмоток.
  3. Провода. Здесь нужно использовать два вида: для обмотки и для выводов. Оптимальное решение для трансформирующих устройств — медные провода, имеющие эмалевую изоляцию (тип ПЭЛ или ПЭ). Их хватит даже для силовых трансформаторов. Широкий выбор сечений позволяет подобрать самый подходящий вариант. Также часто применяют провода ПВ. Для вывода лучше всего брать провода с разноцветной изоляцией, чтобы не путаться при подключении.
  4. Изоляционные подкладки. Помогают увеличить изоляцию провода обмотки. Как правило, используют тонкую и плотную бумагу (отлично подойдет калька), которую следует уложить между рядов. Но бумага должна быть целой, разрывы и проколы, даже самые незначительные, — отсутствовать.

Как ускорить рабочий процесс

У многих радиолюбителей в арсенале имеются простые специальные агрегаты, с помощью которых делается обмотка. Во многих случаях речь идет о несложных конструкциях в виде небольшого столика либо подставки на стол, на которых установлено несколько брусков с вращающейся продольной осью. Длина самой оси должна превышать длину каркаса намотки в 2 раза. На одном из выходов из брусков крепится ручка, позволяющая вращать устройство.

На оси надеваются катушечные каркасы, которые стопорятся с двух сторон шпильками-ограничителями (они препятствуют перемещениям каркаса вдоль оси).

Как сделать тороидальный трансформатор своими руками?

Преобразование тока или напряжения применяется практически в каждом электроприборе. Для чего нужен трансформатор? Более практичного и универсального прибора для преобразования напряжения еще не придумали.

Как устроен трансформатор?


Основа прибора – замкнутый магнитопровод. На него наматываются обмотки – от двух и более. При появлении на первичной обмотке переменного напряжения, в основе возбуждается магнитный поток. Он наводит на остальных обмотках переменное напряжение с аналогичной частотой.

Разница в количестве витков между обмотками определяет коэффициент изменения величины напряжения. Проще говоря, если вторичная обмотка имеет вдвое меньше витков, на ней возникнет напряжение, в два раза меньшее, чем в первичной. Мощность остается прежней, что позволяет работать с большими токами при меньшем напряжении.

Важно! Трансформатор может работать только с переменными или импульсными токами. Преобразовать постоянное напряжение таким образом невозможно.

Конструктивное исполнение различается по форме магнитопровода.

Броневой

Образует два витка магнитного поля, рассчитан на большие нагрузки. Магнитопровод разъемный, удобен в сборке – на центральный стержень надевается готовая обмотка. Недостаток – тяжелый, габаритный. Крайние и поперечные стержни магнитопровода эффективно не используются.

Стержневой

Конструкция аналогична броневому, магнитное поле одновитковое, соответственно мощность меньше. Также имеет разборную конструкцию. Эффективность использования поверхности магнитопровода не выше 40%.

Тороидальный трансформатор

Имеет самый высокий КПД. Это достигается за счет 100% использования площади магнитопровода. Поэтому, при одинаковой мощности, такие трансформаторы имеют меньшие размеры. Еще одно преимущество – за счет распределения обмоток по всей площади основы, охлаждение витков более эффективное. Это позволяет еще больше нагрузить преобразователь без превышения критической температуры. Недостаток один – такие трансформаторы сложно собирать, поскольку основа неразъемная.

Материалы для магнитопровода:

Железные основы набираются из пластин, наматываются ленточным способом, или отливаются монолитно. Наиболее эффективный материал – феррит. Чаще всего применяется именно в торах, увеличивая их КПД.

Какие бывают трансформаторы по конструкции, мы рассмотрели. При покупке готового прибора, вас мало волнует, насколько сложно его сделать.

Тороидальная конструкция удобна в монтаже (занимает мало места, крепится одним винтом). Однако стоит такой прибор выше, чем стержневые или броневые преобразователи напряжения. Часто его цена перекрывает экономию от самостоятельного изготовления всей электроустановки.

Тороидальный трансформатор, как сделать своими руками?

Первое, что приходит в голову – взять готовый тор от сломанной бытовой техники, и попробовать изменить параметры вторичной обмотки под ваши расчеты. Как перемотать трансформатор своими руками, знают все радиолюбители.

Но тороидальный сердечник не разбирается, если пропускать через «бублик» пару тысяч (или даже сотен) витков, на перемотку уйдут месяцы. Да и вероятность повредить оболочку проволоки при таком способе довольно высока.

Важно! Намоточная медная проволока имеет защитное лаковое покрытие. Иногда тряпичное, для мощных обмоток. Дополнительная изоляция увеличивает сечение, соответственно объем обмотки вырастает втрое. Поэтому при наматывании, витки укладываются без продольного перемещения (протяжки), чтобы не повреждать изоляцию.

Чтобы не задаваться вопросами типа: «Что можно сделать из трансформатора от микроволновки?» (из него делают споттеры для точечной сварки), логичнее будет подбирать трансформатор под конкретную задачу, а не наоборот.

Если ваш электроприбор компактный, ищите тороидальный преобразователь. Кстати, в микроволновых печах применяются бронированные трансформаторы, достаточно крупного размера.

Имея представление о характеристиках собираемого блока питания, вы должны знать, как рассчитать мощность трансформатора. Получив эту важную характеристику, начинаете поиски донора. Если приобретенный трансформатор имеет заводскую этикетку, или еще лучше, паспорт изделия – вы пользуетесь этой информацией. А если у вас в руках безымянное изделие?

Первый вопрос, который возникнет: «Как определить выводы трансформатора?» Необходимо произвести замеры сопротивления между контактами с помощью мультиметра. Надо найти первичную обмотку. Как правило, контакты первички не соединены с вторичными обмотками.

То есть, если прозвонка показала гарантировано обособленную обмотку, это первичка. По результатам замеров рисуем схему, и приступаем к определению коэффициентов понижения напряжения.

Важно! Вы должны точно быть уверенными в том, что перед вами именно трансформатор напряжения на 220 вольт, а не дроссель или прибор, рассчитанный на иное входное напряжение.

На контакты первичной обмотки подводим напряжение 220 вольт. Для безопасности можно ограничить ток какой-нибудь нагрузкой. Например, последовательно включить лампу накаливания мощностью 40-60 Вт. Лампа шунтируется обычным тумблером. Подключение производится через предохранитель, или бытовой удлинитель с защитным автоматом (на случай короткого замыкания).

Необходимо дать поработать тору несколько минут «в холостую» с включенной лампой. Затем отключите питание, и оцените температуру устройства. Если избыточного нагрева нет – шунтируйте лампу выключателем и снова дайте время на проверку нагрева.

После этого можно приступать к составлению диаграммы напряжения на вторичных обмотках. Произведите замеры на контактах во всех возможных комбинациях. Результаты отобразите на схеме. Получив полную картину, подайте на обмотки нагрузку, соответствующую напряжению. Лучший способ – та же лампа накаливания.

Внимание! Проверка вторичных обмоток под нагрузкой – косвенный способ, как узнать мощность трансформатора.

Оценить возможности прибора можно по степени нагрева под нагрузкой. Нормальная температура – не более 45°С. То есть, сразу после отключения от сети, трансформатор можно трогать рукой без температурного дискомфорта.

Рассмотрим как производится расчет мощности трансформатора

Для начала определяем сечение основы. Магнитопровод должен не только выдержать магнитное поле определенной интенсивности, он еще рассеивает выделяемое тепло. Существует упрощенный метод исчисления площади сечения в см². Она равна квадратному корню от требуемого значения мощности в ваттах.

Это максимальное значение, реальный трансформатор должен иметь запас +50%. Иначе сердечник попадет в область магнитного насыщения, что приведет к резкому локальному нагреву. Для сердечников тороидальной формы достаточно запаса 30% от расчетной площади.

Далее необходимо знать, как определить параметры провода для обмоток, чтобы обеспечить расчетную мощность трансформатора. Первая величина – количество витков на вольт (речь идет о первичной обмотке).

Для этого воспользуемся несложной формулой: константу 60 делим на площадь сечения в см². Например, сечение магнитопровода 6 см². Значит, на каждый вольт входного напряжения, требуется 10 витков провода. То есть при питании 220 вольт, первичная обмотка будет состоять из 2200 витков.

Расчет вторичных обмоток производится в пропорции коэффициента трансформации. Если необходимо 20 вольт на выходе, при константе 10 витков на вольт, потребуется 200 витков вторичной обмотки. Это абсолютное значение, без учета потерь при нагрузке. Истинное количество витков получаем, умножив значение на 1,2.

Прежде чем намотать трансформатор, надо знать сечение провода. Минимальный диаметр проволоки рассчитывается по формуле: D=0.7*√I

D – диаметр проводника в мм

Важно! Диаметр проводника замеряется без учета толщины изолирующего лака. Его надо смыть ацетоном в месте измерения. Это актуально для проводов с малым сечением.

0,7 – установочный коэффициент

√I – квадратный корень из значения силы тока в амперах

Экономить на проводе не стоит. Меньший диаметр плохо рассеивает тепло, и обмотка может перегореть. Чем тоньше провод, тем выше сопротивление. Возможны потери мощности и снижение расчетных характеристик.

Перемотка трансформатора своими руками

Расчет произвели, параметры «донора» определили, требуется перемотка вторичной обмотки. На стержневом или бронированном трансформаторах все просто – обмотка мотается на коробочку из электротехнического картона, затем надевается на разборный магнитопровод.

А как намотать тороидальный трансформатор?

Есть два способа, отработанных десятилетиями.

С помощью челнока. На вилочный челнок предварительно наматываем требуемое количество проводника. Лучше рассчитать его с запасом, возможны потери от перекосов на витках.

Этот способ годится в случаях, когда внутренний диаметр тора достаточно большой, а проводник тонкий и гибкий. Количество витков также имеет значение. Мотать обмотку даже в 500-700 витков вы будете очень долго.
Вторая технология более прогрессивная. Намотка с помощью размыкаемого обода.

Намоточный обод продевается в «дырку от бублика» и соединяется в единое кольцо. Затем на него наматывается требуемое количество проволоки. После чего проводник сматывается с обода на тороид, с одновременным его вращением для равномерной укладки.

Несмотря на кажущуюся сложность приспособления, его можно изготовить самостоятельно.

12 шагов проектирования тороидальных трансформаторов: Talema Group

Йогананд Велаютам Тороидальные трансформаторы

Выполнение этих 12 шагов при проектировании тороидальных трансформаторов обеспечит долгий срок службы компонентов и оптимальную производительность.

Шаг 1: Расчет ЭДС трансформатора

Согласно уравнению Фарадея для индуктивного напряжения в обмотке трансформатора:

Где E — напряжение в вольтах
N — число витков
Ac — площадь поперечного сечения магнитного сердечника в мм².
B — плотность потока в теслах. Шаг 2: Рассчитайте номинальную мощность Рабочий цикл

При непостоянной нагрузке можно использовать трансформатор меньшего размера. Поскольку выходная мощность в этом случае значительно превышает номинальную мощность, вторичное напряжение падает ниже приведенных напряжений. Падение напряжения увеличивается пропорционально потребляемому току.

Шаг 4: Частота сети

Большинство тороидальных силовых трансформаторов рассчитаны на работу в сетях с частотой 50/60 Гц, 60 Гц или 400 Гц. При увеличении частоты размеры трансформатора соответственно уменьшаются. Тороидальный трансформатор на 60 Гц будет примерно на 20% меньше тороидального трансформатора на 50 Гц.

Шаг 5: Коэффициент витков

Где Vp — первичное напряжение в вольтах
Vs — вторичное напряжение в вольтах
Np — количество витков в первичной обмотке
Ns — количество витков во вторичной обмотке

Шаг 6: Постановление

Где V NL — вторичное напряжение переменного тока без нагрузки в вольтах
V FL — напряжение переменного тока при полной нагрузке в вольтах

Шаг 7: Падение напряжения

Вторичные напряжения и токи действительны для нормальная выходная мощность. При частичной нагрузке выходное напряжение в зависимости от размера трансформатора будет соответственно выше. На приведенном ниже рисунке показано увеличение напряжения для стандартных тороидальных трансформаторов Talema при частичных нагрузках.

Шаг 8: Повышение температуры

Как видно из приведенных ниже графиков, стандартные тороидальные трансформаторы Talema рассчитаны на повышение температуры от 60 °C до 70 °C при номинальной нагрузке. При выборе типоразмера трансформатора необходимо учитывать температуру окружающей среды и коэффициент теплоотвода места установки. На рисунках показано типичное изменение температуры в зависимости от выходной мощности или перегрузки.

Этап 9: Несколько обмоток или одна обмотка (автотрансформатор)

Автотрансформатор имеет меньшие размеры и более экономичную общую конструкцию в тех случаях, когда гальванически разделенные обмотки не требуются. То же самое преобразование напряжения и тока может быть получено с помощью однообмоточного автотрансформатора, как и с обычным двухобмоточным трансформатором. Есть два основных отличия:

  1. В автотрансформаторе вторичная обмотка является общей как для первичной, так и для вторичной обмотки.
  2. Существует прямое медное соединение между первичной и вторичной цепями.

Автотрансформаторы имеют более низкое реактивное сопротивление рассеяния, меньшие потери, меньшие токи возбуждения, они могут быть меньше и дешевле, чем двухобмоточные трансформаторы, когда отношение напряжения меньше 2:1. И, конечно же, они не обеспечивают никакой изоляции.

Talema имеет допуск для автотрансформаторов до 25 кВА по стандартам UL5085 (трансформаторы общего назначения) и 40 кВА по стандартам UL60601-1 (трансформаторы для медицинского и стоматологического оборудования).

Шаг 10: Выпрямление

На приведенных ниже рисунках приведены формулы для расчета приблизительных значений трансформаторов, которые в первую очередь зависят от размера используемого нагрузочного конденсатора. Используемый форм-фактор «F» оценивается между 1,1 для меньших конденсаторов и 2,5 для относительно больших конденсаторов.

Полноволновой мост

Мост с центральным отводом

Шаг 11: Пусковой ток

Характеристики, которые дают преимущества тороидального трансформатора, также усугубляют его недостаток: высокий пусковой ток при первоначальной подаче мощности. Talema успешно разрабатывает трансформаторы с малым пусковым током.

Отсутствие зазора в тороидальном сердечнике означает максимально возможную остаточную намагниченность (остаточная намагниченность сердечника в определенном направлении и величине может быть существенно более выражена в тороиде по сравнению с ламинатом Э-И). Этот остаточный магнетизм является механизмом, с помощью которого функционировала память старых компьютерных ядер. Сердечник «сохраняет» статическое магнитное смещение при отключении питания. Если отключение питания произойдет в неблагоприятное время, в сердечнике сохранится самая сильная остаточная магнитная намагниченность. Когда питание снова подается на первичную обмотку, пиковый пусковой ток может достигать

где V p-pk — пиковое первичное напряжение, а R p — сопротивление первичной обмотки постоянному току, зависящее от мощности трансформатора и от того, насколько сильно был намагничен сердечник. Этот пик пускового тока возникает в течение короткого времени в течение первого или второго полупериода синусоиды мощности.

Существует несколько подходов к решению проблемы пускового тока:

  1. Добавление термистора NTC последовательно с первичной обмоткой трансформатора
  2. Использование плавких предохранителей с задержкой срабатывания
  3. Уменьшите остаточный поток, который увеличит ток намагничивания в сердечнике. Методы, используемые для уменьшения остаточного потока, включают введение зазора или использование альтернативных материалов или методов отжига.

Шаг 12: Тепловая защита

Мы рассмотрим два типа тепловой защиты для тороидальных трансформаторов: однократный предохранитель и термовыключатель с автоматическим сбросом.

Эти устройства предназначены для отключения трансформатора в случае перегрева. Однократный предохранитель используется в основном для защиты от внутренних повреждений трансформатора, срабатывая при заданной температуре. Термовыключатель с автоматическим сбросом обеспечивает прерывистую защиту от внутренних неисправностей трансформатора и внешних перегрузок. Это устройство открывается при заданной высокой температуре и закрывается при заданной более низкой температуре. Эти устройства монтируются внутри трансформатора и подключаются последовательно с первичной или вторичной обмоткой.

Предохранитель однократного срабатывания / Предохранитель с отсечкой

Термовыключатель

тороидальный

Как построить тороидальный трансформатор | diyAudio

самсагаз
Член

#1