Ena izmed najpogosteje uporabljanih naprav na področju energetike, elektronike in radiotehnike je transformator. Pogosto je zanesljivost naprav kot celote odvisna od njegovih parametrov. Tako se zgodi, da ko transformator ne uspe ali ob neodvisni izdelavi radijskih naprav ni mogoče najti naprave s potrebnimi parametri za serijsko proizvodnjo. Zato je treba izračunavanje transformatorja in njegovo izdelavo opraviti neodvisno.
Načelo delovanja naprave
Transformator je električna naprava, namenjena prenosu energije brez spreminjanja oblike in frekvence. Z uporabo pojava elektromagnetne indukcije pri svojem delu se naprava uporablja za pretvorbo izmeničnega signala ali ustvarjanje galvanske izolacije. Vsak transformator je sestavljen iz naslednjih konstrukcijskih elementov :
- jedro;
- navitja;
- okvir za lokacijo navitij;
- izolator;
- dodatni elementi, ki zagotavljajo togost naprave.
Načelo delovanja katere koli transformatorske naprave temelji na učinku pojava magnetnega polja okoli prevodnika z električnim tokom, ki teče skozi njega. Takšno polje se pojavi tudi okoli magnetov. Tok je usmerjen tok elektronov ali ionov (naboji). Če vzamemo žični vodnik in ga navijemo na tuljavo in povežemo potencialno merilno napravo na njene konce, lahko opazujemo povečanje amplitude napetosti, ko je tuljava nameščena v magnetnem polju. To kaže, da ko magnetno polje deluje na tuljavo z navitim prevodnikom, dobimo vir energije ali njegov pretvornik.
V transformatorski napravi se taka tuljava imenuje primarna ali omrežna . Zasnovan je za ustvarjanje magnetnega polja. Treba je opozoriti, da se mora takšno polje vedno spreminjati v smeri in velikosti, torej spremenljivo.
Klasični transformator je sestavljen iz dveh tuljav in magnetnega vezja, ki ju povezuje. Ko se na kontakte primarne tuljave uporabi izmenični signal, se dobljeni magnetni tok skozi magnetno vezje (jedro) prenaša na drugo tuljavo. Tako so tuljave povezane z magnetnimi silami. Po pravilu elektromagnetne indukcije se pri spreminjanju magnetnega polja v tuljavi inducira spremenljiva elektromotorna sila (EMF). Zato se v primarni tuljavi pojavi samoindukcija EMF, medsebojna indukcija pa v sekundarnem EMF.
Število obratov na navitjih določa amplitudo signala, premer žice pa največjo tokovno moč. Če so tuljave enake na tuljavah, bo raven vhodnega signala enaka izhodu. V primeru, da ima sekundarna tuljava trikrat več obratov, bo amplituda izhodnega signala trikrat večja od vhodne - in obratno.
Ogrevanje celotne naprave je odvisno od preseka žice, ki se uporablja v transformatorju. Izberete lahko pravilen odsek s posebnimi tabelami iz imenikov, vendar je lažje uporabiti spletni kalkulator transformatorjev.
Razmerje med celotnim magnetnim tokom in pretokom ene tuljave določa moč magnetne sklopke. Da bi ga povečali, so navitja tuljav nameščeni v zaprtem magnetnem vezju. Izdelana je iz materialov z dobro elektromagnetno prevodnostjo, na primer ferita, alsiferja, karbonilnega železa. Tako se v transformatorju pojavijo tri vezja: električna - tvorjena s tokom toka v primarni tuljavi, elektromagnetna - ki tvori magnetni tok, in druga električna - povezana s pojavom toka v sekundarni tuljavi, ko je nanjo priključena obremenitev.
Pravilno delovanje transformatorja je odvisno tudi od frekvence signala . Večja kot je, manjše so izgube med prenosom energije. In to pomeni, da je velikost magnetnega vezja odvisna od njegove vrednosti: višja je frekvenca, manjša je naprava. Na podlagi tega načela so zgrajeni impulzni pretvorniki, katerih izdelava je povezana z razvojnimi težavami, zato se za izračun transformatorja vzdolž jedra jedra pogosto uporablja kalkulator, ki se pomaga znebiti ročnih napak pri izračunu.
Vrste jeder
Transformatorji se med seboj razlikujejo ne le po obsegu, tehničnih značilnostih in velikostih, temveč tudi po vrsti magnetnega vezja. Zelo pomemben parameter, ki vpliva na velikost magnetnega polja, poleg razmerja obratov je tudi velikost jedra. Sposobnost nasičenja je odvisna od njegove vrednosti. Učinek nasičenja nastane, ko s povečanjem toka v tuljavi velikost magnetnega pretoka ostane nespremenjena, to pomeni, da se moč ne spremeni.
Za preprečitev pojava učinka nasičenja je potrebno pravilno izračunati prostornino in presek jedra, katerega velikost je odvisna od moči transformatorja. Zato je večja moč transformatorja, večje mora biti njegovo jedro.
Jedro je po zasnovi razdeljeno na tri glavne vrste:
- osrednji;
- oklepna;
- toroidno.
Jedro magnetno jedro je v obliki črke U ali W. Sestavljen je iz palic, ki jih je vlekel jaram. Za zaščito tuljav pred vplivom zunanjih elektromagnetnih sil se uporabljajo oklepna magnetna jedra. Njihov jaram je nameščen na zunanji strani in zapre palico s tuljavo. Toroidni videz je izdelan iz kovinskih trakov. Takšna jedra so zaradi svoje oblike obroča ekonomsko najbolj donosna.
Poznavanje oblike jedra je enostavno izračunati moč transformatorja. Najdemo ga s preprosto formulo: P = (S / K) * (S / K), kjer:
- S je površina prečnega prereza sredice.
- K je konstantni koeficient, ki je enak 1, 33.
Območje jedra je odvisno od njegove vrste, njegova merska enota je centimeter na kvadrat. Rezultat se meri v vatih. Toda v praksi je pogosto potrebno izračunati presek jedra glede na zahtevano moč transformatorja: Sс = 1, 2√P, cm2. Na podlagi formul lahko potrdimo sklep: da kolikor večja je moč izdelka, tem bolj dimenzionalno se uporablja jedro.
Tipičen izračun parametrov
Dokaj pogosto radioamaterji pri izračunu transformatorja uporabljajo poenostavljeno tehniko. Omogoča vam, da doma izračune izvajate brez uporabe vrednosti, ki jih je težko najti. Toda lažje je uporabljati spletni kalkulator, ki je pripravljen za izračun transformatorja. Za uporabo takšnega kalkulatorja boste morali vedeti nekaj podatkov, in sicer:
- napetost primarnega in sekundarnega navitja;
- splošne dimenzije jedra;
- debelina plošče.
Ko jih vnesete, boste morali klikniti gumb "Izračunati" ali podobno v imenu in počakati na rezultat.
Vrsta jedra
Ker ni mogoče izračunati na kalkulatorju, je takšna operacija samostojna in ročna. Če želite to narediti, morate določiti napetost na izhodu sekundarnega navitja U2 in potrebno moč Po. Izračun je naslednji:
Izračuna se obremenitveni tok: In = Po / U2, A.- Izračuna se vrednost sekundarnega toka: I2 = 1, 5 * In, A.
- Moč sekundarnega navitja je določena: P2 = U2 * I2, W.
- Najdena je skupna moč naprave: PT = 1, 25 * P2, W.
- Izračuna se primarni tok: I1 = PT / U1, A.
- Najdemo potreben prerez magnetnega vezja: S = 1, 3 * √ Pt, cm².
Upoštevati je treba, da če je v sekundarnem navitju zgrajena naprava z več sponkami, potem se v četrtem odstavku seštejejo vse moči in njihov rezultat namesto P2.
Po zaključeni prvi fazi nadaljujte na naslednjo stopnjo izračuna. Število zavojev v primarnem navitju najdemo po formuli: K1 = 50 * U1 / S. In število obratov sekundarnega navitja je določeno z izrazom K2 = 55 * U2 / S, kjer:
- U1 - napetost primarnega navitja, V
- S - površina jedra, cm².
- K1, K2 - število obratov v navitjih, kos.
Ostaja izračunati premer rane žice. Je enak D = 0, 632 * √ I, kjer:
- d - premer žice, mm.
- I - tok navijanja izračunane tuljave, A.
Pri izbiri magnetnega vezja je treba upoštevati razmerje med 1 in 2 širine jedra in njegovo debelino. Na koncu izračuna se opravi preverjanje zasedenosti, to je, ali se bo navijanje prilegalo okvirju. Za to se površina okna izračuna po formuli: Torej = 50 * Pt, mm2.
Funkcije avtotransformatorja
Autotransformatorji se izračunajo podobno kot preprosti transformatorji, le jedro ni določeno za vso moč, temveč za moč napetostne razlike.
Na primer, moč magnetnega vezja je 250 W, na vhodu 220 voltov, izhod zahteva 240 voltov. Napetostna razlika je 20 V, z močjo 250 W, tok bo 12, 5 A. Ta vrednost toka ustreza moči 12, 5 * 240 = 3000 vatov. Trenutna poraba znaša 12, 5 + 250/220 = 13, 64A, kar natančno ustreza 3000W = 220V * 13, 64A. Transformator ima eno 240 V navitje z 220 V pipo, ki je priključeno na omrežje. Odsek med odtokom in odprtino je navit z žico, ocenjeno na 12, 5A.
Tako vam avtotransformator omogoča veliko večjo moč na izhodu kot transformator na istem jedru z majhnim koeficientom prenosa.
Toroidni transformator
Toroidni transformatorji imajo v primerjavi z drugimi vrstami več prednosti: manjšo velikost, manjšo težo in hkrati večjo učinkovitost. Hkrati se zlahka ranijo in ponovno zavijajo. Uporaba spletnega kalkulatorja za izračun toroidnega transformatorja omogoča ne samo zmanjšanje časa izdelave izdelka, temveč tudi eksperimentiranje med letenjem z različnimi vhodnimi podatki. Kot takšni podatki se uporabljajo:
- napetost vhodnega navitja, V;
- napetost izhodnega navitja, V;
- izhodni tok navijanja, A;
- zunanji premer torusa, mm;
- notranji premer torusa, mm;
- višina tora, mm.
Treba je opozoriti, da skoraj vsi spletni programi pri izračunu impulznih transformatorjev ne kažejo posebne natančnosti. Če želite pridobiti visoko natančnost, lahko uporabite posebej razvite programe, na primer Lite-CalcIT, ali izračunate ročno. Za neodvisni izračun se uporabljajo naslednje formule:
- Moč izhodnega navitja: P2 = I2 * U2, W.
- Skupna moč: Pg = P2 / Q, W. Kjer je koeficient, vzet iz imenika (0, 76−0, 96).
- Dejanski železni prerez na mestu tuljave: Sch = ((Dd) * h) / 2, mm2.
- Izračunani presek železa na mestu tuljave: Sw = √Pq / 1, 2, mm2
- Površina okenskega okna: Sfh = d * s * π / 4, mm2.
- Vrednost obratovalnega toka vhodnega navitja: I1 = P2 / (U1 * Q * cosφ), A, kjer je cosφ referenčna vrednost (od 0, 85 do 0, 94).
- Prerez žice najdemo ločeno za vsako navijanje iz izraza: Sp = I / J, mm2., Kjer je J gostota toka iz imenika (od 3 do 5).
- Število obratov v navitjih se izračuna posebej za vsako tuljavo: Wn = 45 * Un * (1-Y / 100) / Bm * Sch kos, kjer je Y tabelarična vrednost, ki je odvisna od skupne moči izhodnih navitij.
- Ostaja še iskanje izhodne moči in izračun toroidnega transformatorja se šteje za zaključeno. Pout = Bm * J * Kok * Kct * Sch * Sfh / 0, 901, kjer: Bm je magnetna indukcija, Kok je faktor polnjenja z žico, Kct je faktor polnjenja z železom.
Vse vrednosti koeficientov so vzete iz imenika radijske opreme (CEA). Tako izračuna v ročnem načinu ni težko, vendar bo potrebna natančnost in dostop do referenčnih podatkov, zato je veliko lažje uporabljati spletne storitve.
Priporočila za montažo in navijanje
Pri sestavljanju transformatorja z lastnimi rokami so jedrne plošče sestavljene "prekrivajo". Magnetno vezje potegnemo skupaj z matico ali maticami. Da ne bi prekinil izolacije, so čepi zaprti z dielektrikom. Potrebno je zategniti železo z naporom: če med delovanjem naprave ne bo dovolj, se pojavi šum.
Vodniki so naviti na tuljavo tesno in enakomerno, vsaka naslednja vrstica je izolirana od prejšnje s tankim papirjem ali dakronskim filmom. Zadnja vrstica je ovita s kiper trakom ali lakom. Če se med postopkom navijanja izvede pipa, se žica zlomi in pipa je spajkana na režo. Ta kraj je skrbno izoliran. Konci navitij so pritrjeni s pomočjo niti, ki žice privežejo na površino jedra.
Obstaja trik: po primarnem navijanju ne smete naviti celotnega sekundarnega navijanja naenkrat. Po navijanju 10-20 obratov morate izmeriti obseg napetosti na njegovih koncih.
Na podlagi dobljene vrednosti si lahko predstavljamo, koliko obratov je potrebnih za pridobitev želene amplitude izhodne napetosti in s tem nadziranje izračuna, dobljenega med sestavljanjem transformatorja.