Изготовление тороидального трансформатора своими руками. Тороидальный трансформатор. Материалы для намотки
Бывают в жизни ситуации, когда нужен трансформатор с особыми характеристиками для конкретного случая. К примеру, сгорел сетевой тр-р в любимом приемнике, а именно такого для замены у вас нет. Зато есть другие ненужные тр-ры от старой техники, которые валяются без дела, вот их можно попробовать самому переделать под конкретные параметры. Далее мы расскажем, как рассчитать и сделать трансформатор своими руками в домашних условиях, предоставив все необходимые расчетные формулы и инструкцию по сборке.
Расчетная часть
Итак, начнем. Для начала необходимо разобраться, что представляет из себя такое устройство. Трансформатор состоит из двух или более электрических катушек (первичной и вторичной) и металлического сердечника, выполненного из отдельных железных пластин. Первичная обмотка создает магнитный поток в магнитопроводе, а тот в свою очередь индуцирует электрический ток во второй катушке, что показано на схеме ниже. Исходя из соотношения числа витков в первичной и вторичной катушки, трансформатор либо повышает, либо понижает напряжение, пропорционально ему меняется и ток.
От размеров сердечника зависит максимальная мощность, которую трансформатор сможет отдать, поэтому при проектировании отталкиваются от наличия подходящего сердечника. Расчет всех параметров начинается с определения габаритной мощности трансформатора и подключаемой к нему нагрузки. Поэтому сначала нам необходимо найти мощность вторичной цепи. Если вторичная катушка не одна, то их мощность нужно суммировать. Расчетная формула будет иметь вид:
- U2 — это напряжение на вторичной обмотке;
- I2 — ток вторичной обмотки.
Получив значение, нужно сделать расчет первичной обмотки, учитывая потери на трансформации, предполагаемый КПД около 80%.
P1=P2/0.8=1.25*P2
От значения мощности Р1 подбирается сердечник, его площадь сечения S.
- S в сантиметрах;
- Р1 в ватт.
Теперь мы можем узнать коэффициент эффективной передачи и трансформации энергии:
- 50 — это частота сети;
- S — сечение железа.
Эта формула дает приблизительное значение, но для простоты расчета вполне подойдет, так как мы изготавливаем деталь в домашних условиях. Далее можно приступить к расчету количества витков, сделать это можно по формуле:
Так как расчет у нас упрощенный и возможна небольшая просадка напряжения под нагрузкой, увеличьте число витков на 10 % от расчетного значения. Далее нужно правильно определить ток наших обмоток, сделать это нужно для каждой обмотки в отдельности по этой формуле:
Определяем диаметр необходимого провода по формуле:
Исходя из таблицы 1 выбираем провод с искомым сечением. Если подходящего значения нет, нужно сделать округление в большую сторону до табличного диаметра.
Если посчитанного диаметра нет в таблице, или слишком большое заполнение окна получается, то можно взять несколько проводов меньшего сечения и получить в сумме искомое.
Чтобы узнать поместятся ли катушки на нашем самодельном трансформаторе, требуется посчитать площадь окна тр-ра, это образованное сердечником пространство, в которое помещаются катушки. Уже известное число витков умножаем на сечение провода и коэффициент заполнения:
Данный расчет производим для всех обмоток, первичной и вторичной, после чего нужно суммировать площадь катушек и сделать сравнение с площадью окна магнитопровода. Окно сердечника должно быть больше площади сечения катушек.
Порядок изготовления
Теперь, имея расчеты и материал для сборки, можно приступить к намотке. На подготовленную картонную катушку производим укладку первого слоя обмотки. Для этого удобно использовать электродрель, зажав катушку в патроне с помощью особого приспособления (в качестве него может выступать болт с двумя шайбами и гайкой). Закрепив на столе или верстаке дрель, на малых оборотах, производим укладку провода, виток к витку без перехлестов. Между слоями провода укладываем один слой изоляции — конденсаторную бумагу. Между первичной и вторичной обмоткой нужно сделать два слоя изоляции во избежание пробоя.
Намного проще, если вы планируете перематывать готовый трансформатор на желаемое напряжение. В этом случае достаточно при размотке подсчитать количество витков вторичной намотки, и зная коэффициент трансформации:
Перед проверкой прозвоните обмотки, убедитесь, что их сопротивление не слишком мало, нет обрывов и пробоев на корпус изделия. Первое включение необходимо проводить с особой осторожностью, желательно последовательно с первичной обмоткой включить лампу накаливания мощностью 40-90 Ватт.
Проверочные работы
В данной статье приведена инструкция, которая доступно объясняет, как сделать трансформатор своими руками в домашних условиях. Для примера мы описали последовательность расчета и сборки броневой модели, как наиболее распространенного вида преобразователей. Его популярность обусловлена простотой изготовления моточных узлов, легкостью сборки, ремонта и переделки. На основе этой самоделки легко можно сделать тр-р для зарядки автомобильного аккумулятора, или же изготовить повышающий тр-р для лабораторного источника питания, электрический выжигатель по дереву, горячий нож для резки пенопласта или другой прибор для нужд домашнего мастера.
Надоело уже собирать усилители НЧ на микросхемах, руки чешутся, и захотелось что-нибудь серьезное спаять. Задумал я паять транзисторный усилитель с двуполярным питанием. Источником питания будет служить линейный блок питания с тороидальным трансформатором, о намотке которого я буду рассказывать в этой статеечке.
Сначала нужно нам определится с мощностью усилителя, количеством каналов и сопротивления нагрузки.
Каналов у меня будет два, выходная мощность будет приблизительно 100Вт на канал, сопротивление нагрузки будет составлять 4Ом.
Можно не заморачиваться и взять трансформатор мощностью 300Вт, но это лишние размеры и масса. По хорошему, если усилитель класса АБ имеет КПД приблизительно 50%, то чтобы на выходе получить 100Вт, необходимо потребить 200Вт. Если два канала по 100Вт, то потребление будет 400Вт. Это все приблизительно, и с условием, что входным сигналом будет являться синусоида с постоянной амплитудой. Я не думаю, что среди разумных людей есть любители слушать ужасный писк в колонках.
Музыка, которую мы прослушиваем, имеет форму сигнала в виде синусоиды, которая меняется как по частоте, так и по амплитуде. Этот сигнал будет не всегда иметь максимальную амплитуду, в такие моменты будет заряжаться электролитический конденсатор источника питания, а на максимальных амплитудах разряжаться, тем самым можно сэкономить на мощности трансформатора. Опять же если вы не любитель слушать писк в акустической системе.
Вычислим мощность и напряжение нашего будущего трансформатора. Скачиваем и запускаем программу .
Заполняем в верхней части программы все поля, ток покоя ставим 10мА, ток предусилителя 0мА, назначение и тип сигнала выбираем по вкусу прослушиваемой музыки. Нажимаем “Применить”.
Программа произвела расчет напряжение холостого хода источника питания, а также емкость конденсаторов, эти номиналы имеют рекомендательный характер и даны для одного плеча.
Далее заполняем два нижних окошка в соответствии с рекомендательными величинами и нажимаем “Вычислить”. Получили выходное напряжение обмоток трансформатора, у меня 34,5В на каждое плече, ток вторичных обмоток 1,7А, параметры диодов и схему подключения.
С параметрами трансформатора мы определились, теперь скачиваем и запускаем программу . Будем вычислять намоточные данные.
Сердечник у меня тороидальный и имеет размеры 130*80*25. Заполняем поля программы.
Амплитуду индукции выставляем 1.2 Тл, можно полтора (как в моем случае), это для ленточных сердечников, а для пластинчатых ставим 1 Тл. Этот параметр зависит от железа.
Плотность тока для класса АБ от 3.5- 4 А/мм2, для класса А 2.5 А/мм2.
Выставляем токи и напряжение вторичных обмоток, нажимаем рассчитать.
Итак, мы получили количество витков первичной и вторичных обмоток, а также диаметры проводов.
Можно обойтись без расчетов, мотать примерно 900 витков, и периодически обмотку включать в сеть 220В последовательно через лампу накаливания, с номинальным напряжением 220В.
Если лампа будет гореть, даже в пол накала, то мотаем дальше, периодически проверяя. Как только лампа перестанет светиться, необходимо замерить ток холостого хода (но уже без лампы, обмотку подключаем в сеть напрямую), который должен составлять 10-100мА.
Если ток холостого хода будет меньше 10мА, то это не очень хорошо. Из-за большого сопротивления трансформатор будет греться на нагрузке. Если ток будет превышать 100мА, то трансформатор будет греться на холостом ходу. Хотя есть трансформаторы с током холостого хода и 300мА, но они греются без нагрузки и ужасно гудят.
Можно приступать к самой намотке трансформатора. Мотать мне нужно 1291 виток первичной обмотки, проводом, диаметр которого составляет 0,6мм. Заметьте диаметр, а не сечение! У меня провод 0.63мм.
Обматываю тряпочной изолентой. Как-то раз я обмотал сердечник одной лавсановой лентой, без изоленты (или картона), после намотки нескольких слоев произошел пробой. Видимо передавило нижние слои провода, и повредился лак об острую кромку сердечника. Теперь всегда при намотке тороидальных трансформаторов, произвожу обмотку сердечника тряпочной изолентой.
Лавсановую ленту можно купить в магазине, в виде рукава для запекания, который нарезается лентами с помощью лезвия бритвы и металлической линейки.
Берем деревянную линейку на 40см, пропиливаем оба края, чтобы на нее можно было намотать провод. Наматываем большое количество провода (мне пришлось несколько раз наматывать 1300 витков).
Я мотаю все обмотки по часовой, как на картинке.
Закрепляем скотчем, можно ниткой, свободный конец провода и мотаем виток к витку слой обмотки.
Припаиваем провода первичной обмотки. Изолируем места пайки и зачистки лака.
Дам вам один маленький совет. Припаивая провода, к выводам первичной обмотки выбирайте качественные и прочные провода, либо не припаивайте, а уложите их в диэлектрические трубки (термоусадка, кембрик). Пока я мотал вторичные обмотки, мои выводы из-за многократных изгибов отломились. Я брал провода от блока питания ПК.
Мотаем внахлёст 4-5 слоев лавсановой ленты, добытой из рукава для выпекания.
Не забываем записывать на листочек количество витков в каждом слое, чтобы не забыть. Ведь намотка трансформатора может продолжаться не 1-2 дня, а месяц или несколько месяцев, когда нет времени, и вы все можете позабыть.
Мотаем в том же направлении остальные слои провода, между которыми располагаем слои изоляции лавсановой ленты.
Места соединения необходимо паять и изолировать термоусадочной трубкой.
Когда намотаете необходимое количество витков первичной обмотки тороидального трансформатора, нужно подключить обмотку последовательно через лампу 220В к сети, как говорилось выше. Лампа не должна светиться. Если светиться, значит у вас малое количество витков, либо короткое замыкание между слоями или витками (если провод плохой).
У меня ток холостого хода 11мА.
Припаиваем отвод. Изолируем первичную обмотку от вторичной хорошенько, можно слоев 6-8 лавсановой ленты.
Вторичную обмотку можно мотать по расчетам, сделанным выше, либо следующим методом.
Берем тонкий провод и мотаем десятка два-три витков поверх “первички”. Далее включаем первичную обмотку в сеть и измеряем напряжение на нашей экспериментальной обмотке. У меня получилось 18 витков 2,6В.
Разделив 2.6В на 18витков, я вычислил, что один виток равен 0,144В. Чем больше витков на экспериментальной обмотке будет намотано, тем точнее расчет. Далее беру необходимую мне величину напряжения на одной из вторичных обмоток (у меня 35В) и делю на 0,144В, получаю количество витков вторичной обмотки равное 243.
Намотка “вторички” ничем не отличается. Мотаем в туже сторону, тем же челноком, только диаметр провода берем из расчетов выше. Мой диаметр провода равен 1,25мм (меньше у меня не оказалось).
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.
"Справочник" - информация по различным электронным компонентам : транзисторам , микросхемам , трансформаторам , конденсаторам , светодиодам и т.д. Информация содержит все, необходимые для подбора компонентов и проведения инженерных расчетов, параметры, а также цоколевку корпусов, типовые схемы включения и рекомендации по использованию радиоэлементов .
Любой трансформатор – это преобразователь переменного напряжения, работающий по закону электромагнитной индукции, выявленному М. Фарадеем.
Технически подавляющее большинство использующихся в радиоэлектронике трансформаторов выполнены с применением ферромагнитных сердечников, ходя на сверхвысоких частотах можно обойтись и без них. Ферромагнетики практически без искажений передают электромагнитные колебания (поле) от одной катушки к другой.
Для справки, ферромагнетики – это вещества, способные сохранять намагниченность даже без внешнего источника магнитного поля.
Если говорить о видах трансформаторов, то среди действующих моделей выделяют:
1.Двух- или трехфазные;
2.Пиковые;
3.Импульсные;
4.Силовые;
5.Сварочные;
7.Разделительные и согласующие;
8.Вращающиеся;
9.Воздушные и масляные;
10.А также другие.
По типу конструкции бывают:
1.Броневые (обмотки окружены сердечниками);
2.Стержневые (магнитопровод преимущественно расположен только внутри обмоток);
3.Тороидальные (подразумевается сердечник в форме тора/тороида, то есть кольца).
Рис. 1. Стержневой трансформатор
Принцип работы не зависит от типа конструкции. Исполнение корпуса влияет преимущественно на технологический процесс изготовления конечного изделия.
Ниже подробнее остановимся только на тороидальных трансформаторах.
Рис. 3. Тороидальный трансформатор
Принцип работы тороидальных трансформаторов
Работа тороидального трансформатора ничем не отличается от других типов преобразователей:
1.Переменное напряжение на первичной обмотке порождает переменное магнитное поле;
2.Ферромагнетик (сердечник) передает магнитное поле на вторичную и другие обмотки (если их больше, чем одна);
3.В проводнике вторичной обмотки (и последующих) по закону электромагнитной индукции создается электрический ток с той же частотой, что и на первичной обмотке.
Конечно, идеальная модель предполагает преобразование без потерь мощности, но на практике энергия передается на вторичные обмотки не вся. Потери возможны из-за вихревых токов в самом сердечнике, незадействованных петлях гистерезиса (силовых линиях магнитного поля) и др.
При идеальной трансформации работает следующее соотношение:
Где n – коэффициент трансформации, U 1 и U 2 – напряжения на первичной и вторичной обмотках, а I 1 , I 2 – силы тока, N 1 и N 2 – количество витков.
Отсюда видно, что чем больше витков на вторичной обмотке, тем выше напряжение и меньше сила тока на ней, и наоборот.
Намотка тороидального трансформатора
Прежде, чем намотать трансформатор, необходимо правильно его рассчитать.
Подробно на процессе расчета останавливаться не будем, но отметим ряд моментов:
1.Количество витков и диаметр проволоки напрямую влияют на габариты сердечника (тора). Чем больше витков и диаметр проводника, тем больший объем займет обмотка, а значит в определенных габаритах она может не вписаться в кольцо текущего сердечника;
2.Изоляцию проводника обязательно стоит учитывать. Диаметр провода при расчете габаритов считается только вместе с изоляцией;
3.Без изоляции провод для намотки использовать нельзя;
4.Сечение магнитопровода (тора) должно быть взято с запасом не менее 30% от расчетной мощности получаемой энергии в первичной обмотке (в общем случае сечение в см2 равно квадратному корню от мощности первичной обмотки в ваттах);
5.Сердечник должен быть изолирован от обмоток;
6.Мощность первичной и вторичной обмотки – одинаковая, поэтому при уменьшении количества витков на вторичной, растет сила тока, а значит, должна быть и больше площадь сечения провода.
Технология намотки тороида заметно медленнее, чем во всех остальных типах трансформаторов. Это связано с тем, что провод необходимо каждый раз вдевать в кольцо, чтобы сделать каждый виток. И чем длиннее провод, тем дольше будет процесс "вдевания".
В качестве проверенных решений применяются:
1.Челноки (небольшие катушки, способные протиснуться во внутренний диаметр тора вместе с намотанным на них проводом);
Рис. 4. Челнок
2.Специальные разъемные кольца (обычно они большого диаметра, после сборки на торе, провод сначала наматывается на разъемном кольце, а потом переносится на тороид).
Рис. 5. Разъемные кольца
Последний способ применяется в промышленном производстве.
Ну и напоследок – технология намотки (смотри изображение ниже). Мотать каждую отдельную обмотку на своем участке тора – неправильно! Провода должны быть распределены по всей площади тора.
Для преобразования тока используются различные вид специальных устройств. Тороидальный трансформатор ТПП для сварочного аппарата и других приборов, можно намотать своими руками в домашних условиях, он является идеальным преобразователем энергии.
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:
- Металлического диска, изготовленного из рулонной магнитной стали для трансформаторов;
- Резиновой прокладки;
- Выводов первичной обмотки;
- Вторичной обмотки;
- Изоляции между обмотками;
- Экранирующей обмотки;
- Дополнительным слоем между первичной обмоткой и экранирующей;
- Первичной обмотки;
- Изоляционного покрытия сердечника;
- Тороидального сердечника;
- Предохранителя;
- Крепежных элементов;
- Покрывной изоляции.
Для соединения обмоток используется магнитопровод.
Этот тип преобразователей может классифицироваться по назначению, охлаждению, типу магнитопровода, обмоткам. По назначению бывает импульсный, силовой, частотный преобразователь (ТСТ, ТНТ, ТТС, ТТ-3). По охлаждению – воздушный и масляный (ОСТ, ОСМ, ТМ). По количеству обмоток – двухобмоточный и более.
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 — тороидальный кольцевой преобразователь
Достоинства тороидального трансформатора :
- Небольшие габариты;
- Выходной сигнал на торе очень сильный;
- Обмотки имеют небольшую длину, и как результат уменьшенное сопротивление и повышенный КПД. Но также из-за этого при работе слышен определенный звуковой фон;
- Отличные характеристики энергосбережения;
- Простота в самостоятельной установке.
Преобразователь используется как сетевой стабилизатор, зарядное устройство, в качестве блока питания галогенных ламп, лампового усилителя УНЧ.
Фото — готовый ТПН25
Видео: назначение тороидальных трансформаторов
Принцип работы
Самый просто тороидальный трансформатор состоит из двух обмоток на кольце и сердечнике из стали. Первичная обмотка подключается к источнику электрического тока, а вторичная – к потребителю электроэнергии. За счет магнитопровода осуществляется соединение отдельных обмоток между собой и усиления их индуктивной связи. При включении питания в первичной обмотке создается переменный магнитный поток. Сцепляясь с отдельными обмотками, этот поток создает в них электромагнитную силу, которая зависит от количества витков намотки. Если изменять число обмоток, то можно сделать трансформатор для преобразования любого напряжения.
Фото — Принцип действия
Также преобразователи такого типа бывают понижающими и повышающими. Тороидальный понижающий трансформатор имеет высокое напряжение на выводах вторичной обмотки и низкое на первичной. Повышающий наоборот. Помимо этого, обмотки могут быть высшего напряжения или низшего, в зависимости от характеристик сети.
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:
Учитывая, что 1 виток переносит 0,84 Вольт, схема намотки тороидального трансформатора выполняется по такому принципу:
Так можно с легкостью самостоятельно сделать тороидальный трансформатор 220 на 24 вольта. Описанную схему можно подключить как к дуговой сварке, так и к полуавтоматической. Параметры рассчитываются исходя из сечения провода, количества витков, размера кольца. Характеристики этого устройства позволяют производить ступенчатую регулировку. Среди достоинств принципа сборки: простота и доступность. Среди недостатков: большой вес.
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.
