Трансформатор переводится с латинского как «превращатель», «преобразователь». Это электромагнитное устройство статического типа, предназначенное для преобразования переменного напряжения или электрического тока. Основу любого трансформатора составляет замкнутый магнитопровод, который иногда называют сердечником. На сердечник наматываются обмотки, которых может быть 2−3 и более в зависимости от вида трансформатора. Когда на первичной обмотке возникает переменное напряжение, внутри сердечника возбуждается магнитный ток. Он, в свою очередь, вызывает на остальных обмотках токовое переменное напряжение с точно такой же частотой.
Обмотки различаются между собой количеством витков, что определяет коэффициент изменения величины напряжения. Иными словами, если вторичная обмотка имеет в своём составе в два раза меньше витков, то на ней возникает переменное напряжение по величине в два раза меньшее, чем на обмотке первичной. Но мощность тока при этом не меняется. Это делает возможным работу с токами большой силы при относительно небольшом напряжении.
Виды трансформаторов
В зависимости от формы магнитопровода различают три вида трансформаторов:
- Броневой. Имеет квадратную форму с двумя боковыми, одним центральным и двумя поперечными стержнями. При этом эффективно используется только центральный стержень. Именно на него надевается обмотка. Поэтому КПД данного устройства не очень высокое. Образует два витка магнитного поля. Данный трансформатор рассчитан на большие нагрузки. Этим объясняется его очень большой вес.
- Стержневой. В каком-то смысле похож на первый вид. По форме это половинка от броневого магнитопровода. Имеет в своём составе два боковых сердечника и два поперечных. Магнитное поле одновитковое, и, как следствие, мощность у него меньше. КПД у такого трансформатора составляет 40%.
- Тороидальный. Своё название получил за счёт оригинальной формы. В математике существует такое понятие, как тороидальная поверхность. Если говорить проще — это объёмный круг или форма бублика. Благодаря такой форме магнитопровода тороидальные трансформаторы имеют самый высокий уровень КПД, приближающийся к 100%. Поэтому такие трансформаторы всегда имеют меньшие размеры при одинаковой мощности, по сравнению с другими видами. Ввиду того, что обмотки равномерно распределяются по всей площади сердечника, происходит более эффективное охлаждение витков. Что, в свою очередь, позволяет максимально нагружать такие устройства без возникновения опасности перегрева.
Как сделать
Изготовление тороидального трансформатора под силу даже молодым электрикам. Намотка и расчет не представляют собой ничего сложного. Предлагаем рассмотреть, как правильно мотать тороидальный магнитопровод для полуавтомата:
- Для намотки трансформатора на ферритовом сердечнике может использоваться специальный станок. Он поможет значительно ускорить работу и уменьшить вероятность соскока железа. Его можно произвести по типу зажима для накрутки проводов;
- Нужно отметить, что латры, которые нужны для намотки, должны быть одинаковых размеров. При наматывании следите за тем, чтобы между листами не было щелей. Если же Ваш силовой трансформатор имеет небольшие щели в магнитопроводе, то их можно заполнить железными листами от любого другого трансформатора, обрезанными до определенного размера;
Фото — расчет - После окончания наматывания железа, его выводы прихватываются при помощи сварки. Это помешает обмотке размотаться. Достаточно буквально двух – трех сварных точек;
- После этого торцы магнитопровода промазываются эпоксидным клеем. Предварительно кромки немного закругляются;
- Поверх боковой стороны усилителя наматывается изоляция – это может быть даже лист картона. Его можно присоединить при помощи малярного скотча. Действие повторяем по всем поверхностям магнитопровода;
- Теперь нужно вокруг картонной изоляции намотать изоленту из текстиля. Она продается в специальных электротехнических магазинах. Поверх этого слоя изоляции можно намотать дополнительный из малярного скотча;
- Теперь на кольцо накручивается провод выбранного сечения, рассчитать размеры проводов и потребные характеристики поможет специальная программа. После окончания накрутки все покрывается лаком NC, один вывод обмотки должен остаться свободным;
Фото — намотка обмотки - После нужно изготовить изоляцию из лакоткани или текстильной изоленты, поверх которой наматывается вторая обмотка. Она также покрывается лаком. Остается только накрутить последнюю изоляцию и защитить. Действия продолжать до получения нужного количества обмоток;
Фото — обмотка лентой - Вторичная обмотка наматывается уже из большего по сечению провода. Если сетевой трансформатор нужен для дуговой сварки, то необходимо добавлять в конце еще определенное количество витков, помимо расчетных обмоточных.
Материалы пластин
Сердечники для трансформаторов изготавливают либо из металла, либо из феррита. Феррит, или ферромагнетик, — это железо с особым строением кристаллической решётки. Применение феррита увеличивает КПД трансформатора. Поэтому чаще всего сердечник трансформатора изготавливается именно из феррита. Существует несколько способов изготовления сердечника:
- Из наборных металлических пластин.
- Из намотанной металлической ленты.
- В виде отлитого из металла монолита.
Любой трансформатор может работать как в повышающем, так и в понижающем режиме. Поэтому условно все трансформаторы делятся на две большие группы. Повышающие: на выходе напряжение больше, чем на входе. Например, было 12 В, стало 220 В. Понижающие: на выходе напряжение ниже, чем на входе. Было 220, а стало 12 вольта. Но в зависимости от того, на какую обмотку подаётся первичное напряжение, можно понижающий трансформатор превратить в повышающий, который 10 А превратит в 100 А.
Разметка
Разметка — первый этап, который проводится при наличии материалов и инструментов. Важно тщательное исследование, позволяющее определить технические характеристики.
Допустимо делать ее вручную при помощи специальных таблиц (но обратите внимание, что в таком случае придется рассчитывать все самостоятельно, используя формулы).
Можно выбрать и разметку при помощи программ — есть в бесплатном доступе такие в интернет. Но в таком случае начинающий радиолюбитель не сможет понять алгоритм расчета и научиться выполнять рамку самостоятельно, без использования компьютеризированного оборудования.
Тороидальный трансформатор своими руками
Тороидальный трансформатор, или просто тор, чаще всего изготавливают в домашних условиях в качестве главной детали для домашнего сварочного аппарата и не только. По сути, это самый распространённый вариант трансформатора, впервые изготовленный ещё Фарадеем в 1831 году.
Преимущества и недостатки тора
Тор обладает несомненными достоинствами по сравнению с другими видами:
- Относительно небольшие размеры.
- Очень сильный выходной сигнал.
- Обмотки имеют маленькую длину, и, как следствие, эти устройства характеризуются небольшим сопротивлением и очень высоким КПД.
- Благодаря своей форме легко устанавливаются и также легко демонтируются в случае необходимости.
Простейший тор состоит из двух обмоток на своём кольцевидном сердечнике. Первичная обмотка соединяется с источником электрического тока, вторичная идёт к потребителю электроэнергии. Посредством магнитопровода происходит объединение обмоток и усиление их индукции. Когда включается питание, в обмотке первичной возникает переменный магнитный поток. Соединяясь со вторичной обмоткой, этот поток порождает в ней электромагнитную силу. Величина этой силы зависит от количества намотанных витков. Изменяя число витков, можно преобразовывать любое напряжение.
Расчет мощности тороидального трансформатора
Изготовление сварочного тороидального трансформатора в домашних условиях начинается с расчёта его мощности. Основным параметром будущего тора является ток, который будет подаваться на сварочные электроды. Чаще всего для бытовых нужд вполне достаточно электродов диаметром 2−5 мм. Соответственно, для таких электродов мощность тока должна быть в пределах 110−140 А.
Мощность будущего трансформатора рассчитывается по следующей формуле:
U — напряжение холостого хода
cos f — коэффициент мощности, равный 0.8
n — коэффициент полезного действия, равный 0.7
Далее расчётная величина мощности с помощью соответствующей таблицы сверяется с размером площади сечения сердечника. Для домашних сварочных трансформаторов это значение, как правило, равно 20−70 кв. см в зависимости от конкретной модели.
После этого с помощью следующей таблицы подбирается количество витков провода по отношению к площади сечения сердечника. Закономерность простая: чем больше площадь сечения магнитопровода, тем меньшее количество витков наматывается на катушку. Непосредственное количество витков вычисляется по следующей формуле:
U — напряжение тока на первичной обмотке.
I — ток вторичной обмотки, или сварочный ток.
S — площадь сечения магнитопровода.
Количество витков на вторичной обмотке вычисляется по следующей формуле:
Тороидальный сердечник
Тороидальные трансформаторы имеют достаточно сложный сердечник. Лучше всего его изготавливать из специальной трансформаторной стали (сплав железа с кремнием) в виде стальной ленты. Лента предварительно свёртывается в габаритный рулон. Такой рулон, по сути, уже имеет форму тора.
Читать также: Углекислый газ плюс углерод
Где взять готовый сердечник? Неплохой тороидальный сердечник можно обнаружить на старом лабораторном автотрансформаторе. В этом случае будет необходимо размотать старые обмотки и намотать новые на уже готовый сердечник. Перемотка трансформатора своими руками ничем не отличается от намотки нового трансформатора.
Конструкция
Первый двухполярный трансформатор был изготовлен еще Фарадеем, и согласно данным, это было именно тороидальное устройство. Тороидальный автотрансформатор (марка Штиль, ТМ2, ТТС4)– это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в другое. Они используется в различных линейных установках. Этот электромагнитный прибор может быть однофазным и трехфазным. Конструктивно состоит из:
Фото – принцип работы трансформатора
Устройство этого типа используется в различных аудио- и видеоустановках, стабилизаторах, системах освещения. Главным отличием этой конструкции от других устройств является количество обмоток и форма сердечника. Физиками считается, что кольцевая форма – это идеальное исполнения якоря. В таком случае, намотка тороидального преобразователя выполняется равномерно, как и распределение тепла. Благодаря такому расположению катушек, преобразователь быстро охлаждается и даже при интенсивной работе не нуждается в использовании кулеров.
Фото – готовый ТПН25
Видео: назначение тороидальных трансформаторов
Особенности намотки тора
Первичная обмотка осуществляется медным проводом в стеклотканевой или хлопчатобумажной изоляции. Ни в коем случае нельзя использовать провода в резиновой изоляции. Для силы тока на первичной обмотке в 25 А наматывающийся провод должен иметь сечение 5−7 мм. На вторичной необходимо использовать провод значительно большего сечения — 30−40 мм. Это необходимо ввиду того, что на вторичной обмотке будет протекать ток значительно большей силы — 120−150 А. В обоих случаях изоляция провода должна быть термостойкой.
Для того чтобы правильно перемотать и собрать самодельный трансформатор, необходимо понимать некоторые детали процесса его работы. Нужно грамотно осуществлять намотку проводов. Первичная обмотка производится с помощью провода меньшего сечения, а количество самих витков здесь значительно больше, это приводит к тому, что первичная обмотка испытывает очень большие нагрузки и, как следствие, может очень сильно греться в процессе работы. Поэтому укладка первичной обмотки должна производиться особенно тщательно.
В процессе намотки каждый намотанный слой необходимо изолировать. Для этого используют либо специальную лакоткань, либо строительный скотч. Предварительно изоляционный материал нарезается на полоски шириной 1−2 см. Изоляцию укладывают таким образом, что внутренняя часть обмотки покрывается двойным слоем, а внешняя, соответственно, одним слоем. После этого весь изоляционный слой обмазывается толстым слоем клея ПВА. Клей в этом случае несёт двойную функцию. Он укрепляет изоляцию, превращая её в единый монолит, а также значительно уменьшает звук гудения трансформатора во время работы.
Обзор цен
Купить тороидальный трансформатор HBL-200 можно в любом городе Российской Федерации и стран СНГ. Он используется для различной аудиоаппаратуры. Рассмотрим, сколько стоит преобразователь.
Федотов Алексей Геннадьевич (UA3VFS) г. Гусь-Хрустальный
Технология намотки и способ изоляции на самом деле очень прост и не предполагает ни в коем случае ни какой обмотки, ни лакотканью, ни чем-либо другим. Дело в том, что при любой обмотки лакотканью или другими изоляторами внутреннее окно ТОРА мгновенно заполняются, так как, на внешней стороне получается один слой, а на внутренней 5-10 слоев, да еще неровных. Я давно собирался написать статью о способе качественной намотки торов. Это довольно долго объяснять и лучше показать на фото. Причем после намотки обмотки не превращаются в колесо, а сам трансформатор не становиться, яйцеобразным и расход провода минимален. Ввиду всего этого и КПД трансформатора максимален. А что из этого получается, Вы можете посмотреть в моем усилителе.
Сразу оговорюсь, речь идет о мощных тороидальных трансформаторах. Габаритная мощность, которых более 500Вт. Которые мотаются проводами от 1 до 3мм. естественно виток к витку. И, как правила, сетевая обмотка которых лежит в приделах от 100 до 400 витков, всего, то есть 0,5-2 витка на вольт. Мотать таким способом менее мощные трансформаторы хлопотно, но при желании можно.
Что нужно для намотки.
1) Необходимо сделать подставку для намотки тороида, делается это очень просто. Берем квадратный кусок ДСП или фанеры толщиной 10-15мм. Размерами 200Х200мм еще нам нужны два деревянных бруска длинной 200мм и с квадратом 20Х20мм. Эти два бруска нам нужно либо приклеить по центру нашей площадки, параллельно друг другу, на расстоянии между ними 100мм. А еще лучше привернуть к площадке эти бруски с помощью шурупов, но с потайными головками и головки утопить в фанеру иначе они будут царапать стол. Теперь если на эту подставку поставить тороид, он будет прочно и устойчиво стоять. 2) Нужен челнок, челнок я выпиливаю из оргстекла толщиной 5-6мм. Ширина обычно 30-40мм. длинна 300-400мм. Торцевые пропилы я делаю не углом, а полукругом и обрабатываю их напильником, что бы не портилась изоляция провода и даже проклеиваю одним двумя полосками изоленты опять же для защиты провода. На челнок мы наматываем провод, не страшно, если провода не хватит, можно аккуратно спаять провод и мотать дальше. Но лучше все-таки рассчитать, так что бы провода хватило. 3) Теперь нам нужен материал для изоляции между слоями, это очень просто нужно найти тонкий картон (упаковочный), я например, применяю коробки от динамиков для автомобилей. Главное что бы это был не толстый, но и не тонкий материал толщина картона, где-то 0,5мм. Если он будет с одной стороны глянцевый, то это тоже хорошо. 4) Еще нам потребуется нитки толстые 10-20 номер. Но на худой конец можно и 40 номер. Сама намотка ведется от себя в правую сторону.
А теперь самое главное, это изготовление самих изоляционных прокладок между слоями. Нам потребуется штангель-циркуль, с острыми концами .
Измеряем, внешний диаметр нашего тора , прибавляем 20мм. (для нахлеста) и делим пополам. Например, внешний диаметр тора 150мм.+ 20мм.= 170мм. 170мм./2 = 85мм. Выставляем штангель на 85мм. и фиксируем винтом. Сам штангель мы будем использовать как циркуль для черчения кругов на картоне. Почему именно штангелем, а не обычным циркулем, которым и проще и удобнее? А все очень просто, когда мы будем острым и прочным концом штангеля чертить по картону, то на картоне останется продавленная борозда и именно она поможет нам. Эта борозда очень полезна для удобства сгибания внутренней рассеченной окружности наших прокладок. В общем, сами поймете, что штангелем лучше, чем удобным циркулем. И так чертим, внешний круг на картоне и вырезаем его ножницами, в принципе внешний круг можно нарисовать и обычным циркулем.Далее замеряем внутренний диаметр тора ничего не прибавляем, не убавляем, а просто делим пополам. Например, диаметр 60мм./2 = 30мм. Выставляем, именно штангель-циркуль, на 30мм. фиксируем винтом и чертим внутренний диаметр на картоне. Далее мы берем карандаш и линейку и работаем над внутренним кругом, сначала рисуем крест, то есть, делим круг на 4 части, потом на 8 частей, если внутренний диаметр ТОРА больше 60мм. то еще и на 16 частей. >Далее мы рисуем обычным циркулем еще один круг, который меньше внутреннего в два раза, то есть, раздвигаем циркуль на 15мм.
А теперь нам потребуется ровный кусок, фанеры или ДСП на который, мы положим нашу картонную заготовку для прорезания концом острого скальпеля или ножа, нанесенных карандашом наших частей. Прорезать нужно по кругу от внешнего края окружности к центральной точке, не далее иначе картон будет задираться. Прорезать нужно насквозь картона. Далее ножницами вырезаем внутренний круг нарисованный нами обычным циркулем. Полученные дольки отгибаем перпендикулярно заготовки. Понятно, что таких заготовок нужно на каждый слой по две штуки, каждый раз замеры диаметров делаются вновь, так как от слоя к слою их значение меняется. Далее меряем высоту тора и вырезаем две полоски картона такой же ширины. Одну полоску вставляем внутрь тора, так что бы нахлест был не более 10мм. Вторую полоску накручиваем одним слоем на внешнюю сторону тора с таким же нахлестом. Надеваем обе круглые заготовки на торцы тора, крепим ниткой в трех-четырех местах по кругу. И далее начинаем мотать.
