Как сделать тороидальный трансформатор своими руками

Расчет импульсного трансформатора тороидального типа

Они отличаются меньшими весом и размерами, чем аналогичные устройства, например, трансформатора с сердечником броневого типа. Для тороидальных трансформаторов характерно лучшее охлаждение и высокий КПД. Периметр сердечника позволяет распределить проводник обмотки более равномерно, что способствует уменьшению влияния  поля рассеяния, благодаря этому отпадает необходимость создания экранирования импульсного трансформатора.

Для расчета тороидального импульсного трансформатора с целью ускорить процесс и исключить случайную ошибку используют специально разработанную таблицу. Она, кстати, явилась прототипом автоматической программной версии расчета. Использование табличного расчета позволяет ускорить процесс и дает представление обо всех происходящих в работе импульсного трансформатора процессах. Расчет аналогичен расчету ИТ с броневым и бронестержневым Ш-образным сердечником.

Рис. №1. Таблица основных расчетов тороидальных импульсных трансформаторов,

Где:

• Рr — габаритная мощность;
• w1 – число витков на вольт для сердечника из сталей марки Э310, Э320;
• w2 – число витков на 1 вольт на стальной сердечник марки Э340; Э350; Э360;
• S – площадь поперечного сечения провода;
• Δ – разрешенная плотность тока в катушке;
• η – КПД тр-ра.

Первое действие проектирования импульсного трансформатора – выбор материала. Для большинства импульсных трансформаторов используется холоднокатаное стальное железо: Э310; Э320; Э380 с лентой толщиной до 0,5 мм. Если толщина ленты до 0,1 мм выбирается сталь Э340; Э350; Э360

Для намотки трансформаторов допускается использовать изоляцию снаружи и между обмоток. Изоляция, расположенная между слоями позволяет сделать укладку проводника ровным слоем, повышает толщину намотки в диаметре внутри сердечника.

Рис. №2.Форма конструкции сердечника тороидального импульсного трансформатора А – Магнитопроводный сердечник; С – Проводник для индуктивной связи.

Проводник должен быть выбран с высокой степенью прочности изоляции к механическим и электрическим воздействиям марок (ПЭЛШО; ПЭШО или провод ПЭВ-2). Для изоляции выбирается лакоткань, фторопластовая пленка (ПЭТФ) и батистовая лента.

Расчет импульсного трансформатора
Исходные параметры, необходимые для выполнения расчетов импульсных трансформаторов: Р2 (Вт) – импульсная мощность; U1 (В) – импульсное напряжение; Rи (Ом) – сопротивление источника; tи  (с) – время продолжительности импульса; fn (Гц) – частота движения импульсов; λ = 0,04 коэффициент искажения верхней, прямой части прямоугольного импульса

Пример расчета трансформатора

Если известно напряжение питания Uc = 220B; напряжение выхода Uв = 24В; Iн = 1,8А

действием определяем мощность «вторички»:
Р = Uв * Iн = 24 * 1,8 = 43,2 Вт

действие. Высчитывает габаритную мощность тр-ов:
Рг = Р/ η 43,2 / 0,92 = 48Вт; показатель КПД выбираем из табличного значения в ряду габаритных значений мощностей.

Рассчитываем   г /1,2 = 1,2 = 5,8см2
Выбираем габариты сердечника Dc; dc; hс
S = Dc – dc /2 * hс

Наиболее вероятный, приближенный тип сердечника – ОЛ50/80 – 40; площадь его сечения равна (8 – 5)/ 2 * 4 = 6 см2 (около расчетной)

Находим внутренний диаметр сердечника, здесь справедливо утверждение dc  ≥ d/с
d/с =  =  = 3,8 см, что означает 5  3,8,

Предположительно выбираем сердечник стали Э320, количество витков определяем, как:
w1 = 33.3/S = 33.3/6 = 5.55 витков на 1 вольт

Находим допустимое число витков «первички» и «вторички»:
W1-1 = w1 * Uс – 5.55 * 220 = 1221 виток; W1-2 = w1 * Uн = 5,55 * 24 = 133 витка.

Ввиду того, что в трансформаторах с тороидальным сердечником наблюдается малый магнитный поток рассеяния, падение напряжения в обмотках определяется с помощью активного сопротивления. Значение падения напряжения в катушках трансформатора тороидального типа  намного меньше, чем этот параметр для бронестержневых трансформаторов. Для того, чтобы компенсировать потери во вторичной обмотке увеличивают число витков на 3%.

W1-2 = 133 * 1,03 = 137 витков

Находим диаметр провода для обмотки
d1 = 1.33 , I1 – ток в «первичке» трансформатора, определяется по формуле: I1 = 1,1 (Pг/Uc) = 1,1 * 48/220 = 0,24а

d1 = 1,33  = 0,299мм

находим подходящий диаметр проводника, берем в сторону увеличения (0,31мм);

d2 – 1,33  = 1,19  = 0,8 мм.

Испытание

Как только работа с намоткой подойдёт к концу, следует испытать созданный прибор. В этих целях к сети подключается обмотка первичная

Для грамотной проверки трансформатора на выявление возможных замыканий важно подключить к току лампу, а также обмотку последовательно.

Уровень изоляционной надёжности проверяется через касания поочерёдно выведенным проводным концом имеющегося конца обмотки сети. Если следовать предложенной схеме неуклонно, то трансформаторная намотка собственноручно не представит особых трудностей, а соответственно справиться с подобной задачей будет под силу даже неопытному мастеру.

Расчёт тороидального трансформатора — Fotoatelier Александр Горбатов

РАСЧЕТ ТОРОИДАЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Перед конструкторами радиоэлектронной аппаратуры часто ставится задача создания таких устройств, которые отличались бы небольшими размерами и минимальным весом.

Практика показала, что лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с броневыми сердечниками из Ш-образных пластин они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмотки и повышенным к.п.д. Кроме того, при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует поле рассеяния и в большинстве случаев отпадает необходимость в экранировании трансформаторов,

В связи с тем, что полный расчет силовых трансформаторов на тороидальных сердечниках слишком громоздок и сложен, приводим таблицу, с помощью которой радиолюбителю будет легче произвести расчет тороидального трансформатора мощностью до 120 вт.  Точность расчета вполне достаточна для любительских целей.* Расчет параметров тороидального трансформатора, не вошедших в таблицу, аналогичен расчету трансформаторов на Ш-образном сердечнике.

Таблицей можно пользоваться при расчете трансформаторов на сердечниках из холоднокатаной стали Э310, Э320, Э380 с толщиной ленты 0,35—0, 5 мм. и стали Э340, Э350, Э360 с толщиной ленты 0*05—0,1 мм. при частоте питающей сети 50 Гц.

При намотке трансформаторов допустимо применять лишь межобмоточную и наружную изоляции: хотя межслоевая изоляция и позволяет добиться более ровной укладки провода обмоток, из-за различия наружного и внутреннего диаметров сердечника при ее применении неизбежно увеличивается толщина намотки по внутреннему диаметру.

Для намотки тороидальных трансформаторов необходимо применять обмоточные провода с повышенной механической и электрической прочностью изоляции. При намотке вручную следует пользоваться проводами ПЭЛШО, ПЭШО. В крайнем случае можно применить провод ПЭВ-2. В качестве межобмоточной и внешней изоляции пригодны фторопластовая пленка ПЭТФ толщиной 0,01— 0,02 мм. лакоткань ЛШСС толщиной 0,06—0,12 мм. или батистовая лента.

Пример расчета трансформатора:

Дано: напряжение питающей сети                                 Uc = 220 в,

выходное напряжение                                                      Uн = 24 в,

ток нагрузки                                                                       Iн = 1,8 а.

1. Определяют мощность вторичной обмотки

                                                                             P = Uн*Iн =  24*1,8 = 43,2 вт.

2. определяют габаритную мощность трансформатора

                                                                             Pг = p/η = 43,2 / 0,92 = 48 вт.

Величину к. п. д. и другие необходимые для расчета данные выбирают по таблице из нужной графы ряда габаритных мощностей.

3. Находят площадь сечения сердечника

                                                                          Sрасч.= √(Pг / 1,2) = 5,8 см2. 

Примечание. Рг, — габаритная мощность трансформатора, w1, — число витков на вольт для стали Э310, Э320, Э330,  w2— число витков на вольт для стали Э340, Э359, ЭЗ60, S — площадь сечения сердечника см2, Δ — допустимая плотность тока в обмотках, η — к. п. д. трансформатора.

4. Подбирают размеры сердечника Dc, dc и hc

                                                                                  S = ((Dc —  dc) / 2) * hc

Ближайший стандартный тип сердечника — ОЛ 50/80-40, площадь сечения которого равна 6 см2 (не менее расчетной).

5. При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие: dc ≥ d`c,то есть 5 ≥3,8.

6. Предположим, что выбран сердечник из стали Э320, тогда число витков на вольт определяют по формуле;

                                                            w1 = 33,3 / S = 33,3 / 6 = 5,55 витков / вольт.

7. Находят расчетные числа витков первичной и вторичной обмоток W1-1 =w1* Uc = 5,55 * 220 = 1221 виток.  W1-2= w2 * Uc = 5,55*24 = 133 витка.

Так как в тороидальных трансформаторах магнитный поток рассеяния весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь их активным сопротивлением, вследствие чего относительная величина падения напряжения в обмотках тороидального трансформатора значительно меньше* чем в трансформаторах стержневого и броневого типов. Поэтому для компенсации потерь на сопротивлении вторичной обметки необходимо увеличить количество ее витков лишь на 3%.

                                                                           W1-2 = 133 * 1,03 = 137 витков.

8. Определяют диаметры проводов обмоток d1 = 1,13 * √(I1 / Δ) , где I1 ток первичной обмотки трансформатора, определяемый иэ формулы:

                                                                       I1  = 1,1 * (Рг / Uc) = 1,1 * (48 / 220) = 0,24 а

                                                                          d1 =1,13 * √(0,24 / 3,5)  = 0,299 мм.

Выбирают ближайший диаметр провода в сторону увеличения (0*31 мм)

                                                               d2 = 1,13 * √(I2 / Δ) = 1,13 * √(1,8 / 3,5) = 0,8 мм.

Трансформаторы, рассчитанные с помощью приводимой таблицы, после изготовления подвергались испытаниям под постоянной максимальной нагрузкой в течение нескольких часов и показали хорошие результаты .

Инж. Г. МАРТЫНИХИН

Условные обозначения и параметры

Приобретая трансформатор, необходимо понимать, что написано на его корпусе или в сопроводительных документах. Ведь существует определенная маркировка трансформаторов, которые определяют его назначение

Основное, на что необходимо обратить внимание, до какого показателя этот прибор может снизить напряжение. К примеру, 220/24 говорит о том, что на выходе получится ток напряжением 24 вольта

А вот буквенные обозначения чаще всего говорят о типе устройства. Кстати, имеется в виду буквы, стоящие после цифр. К примеру, О или Т – одно- или трехфазный соответственно. То же самое можно сказать о количестве обмоток, о типе охлаждения, о способе и месте установки (внутренние, наружные и прочее).

Расшифровка маркировки трансформатора

Что касается параметров трансформатора, то существует определенный стандартный ряд, который и определяет характеристики прибора. Их несколько:

• Напряжение в первичной катушке.
• Напряжение во вторичной катушке.
• Первичная сила тока.
• Вторичная сила тока.
• Общая мощность аппарата.
• Коэффициент трансформации.
• КПД.
• Коэффициент мощности и нагрузки.

Есть так называемая внешняя характеристика трансформатора. Это зависимость вторичного напряжения от вторичной силы тока, при условии, что сила тока первичной обмотки будет номинальной, а cos φ= const. По-простому – чем выше сила тока, тем ниже напряжение. Правда, второй параметр изменяется всего лишь на несколько процентов. При этом внешняя характеристика трансформатора определяется относительными характеристиками, а именно коэффициентом загрузки, который определяется по формуле:

Обозначение на схемах

K=I2/I2н, где второй показатель силы – это сила тока при номинальном напряжении.

Конечно, характеристики трансформатора – это достаточно большой ряд всевозможных показателей, от которых зависит сама работа прибора. Здесь и мощность потерь, и внутреннее сопротивление в обмотке.

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.

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.

Как намотать импульсный трансформатор?

Вначале нужно подготовить ферритовое кольцо.

Для того чтобы провод не прорезал изоляционную прокладку, да и не повредился сам, желательно притупить острые кромки ферритового сердечника. Но, делать это не обязательно, особенно если провод тонкий или используется надёжная прокладка. Правда, я почему-то всегда это делаю.

При помощи наждачной бумаги скругляем наружные острые грани.

То же самое проделываем и с внутренними гранями кольца.

Чтобы предотвратить пробой между первичной обмоткой и сердечником, на кольцо следует намотать изоляционную прокладку.

В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, лавсановую плёнку или даже бумагу.

При намотке крупных колец с использованием провода толще 1-2мм удобно использовать киперную ленту.

Иногда, при изготовлении самодельных импульсных трансформаторов, радиолюбители используют фторопластовую ленту – ФУМ, которая применяется в сантехнике.

Работать этой лентой удобно, но фторопласты обладают холодной текучестью, а давление провода в области острых краёв кольца может быть значительным.

Во всяком случае, если Вы собираетесь использовать ленту ФУМ, то проложите по краю кольца полоску электрокартона или обычной бумаги.

При намотке прокладки на кольца небольших размеров очень удобно использовать монтажный крючок.

Монтажный крючок можно изготовить из куска стальной проволоки или велосипедной спицы.

Аккуратно наматываем изолирующую ленту на кольцо так, чтобы каждый очередной виток перехлёстывал предыдущий с наружной стороны кольца. Таким образом, изоляция снаружи кольца становится двухслойной, а внутри – четырёх-пятислойной.

Для намотки первичной обмотки нам понадобится челнок. Его можно легко изготовить из двух отрезков толстой медной проволоки.

Необходимую длину провода обмотки определить совсем просто. Достаточно измерить длину одного витка и перемножить это значение на необходимое количество витков. Небольшой припуск на выводы и погрешность вычисления тоже не помешает.

Пример

34(мм) * 120(витков) * 1,1(раз) = 4488(мм)

Если для обмотки используется провод тоньше, чем 0,1мм, то зачистка изоляции при помощи скальпеля может снизить надёжность трансформатора. Изоляцию такого провода лучше удалить при помощи паяльника и таблетки аспирина (ацетилсалициловой кислоты).

Будьте осторожны! При плавлении ацетилсалициловой кислоты выделяются ядовитые пары!

Если для какой-либо обмотки используется провод диаметром менее 0,5мм, то выводы лучше изготовить из многожильного провода. Припаиваем к началу первичной обмотки отрезок многожильного изолированного провода.

Изолируем место пайки небольшим отрезком электрокартона или обыкновенной бумаги толщиной 0,05… 0,1мм.

Наматываем начало обмотки так, чтобы надёжно закрепить место соединения.

Те же самые операции проделываем и с выводом конца обмотки, только на этот раз закрепляем место соединения х/б нитками. Чтобы натяжение нити не ослабло во время завязывания узла, крепим концы нити каплей расплавленной канифоли.

Если для обмотки используется провод толще 0,5мм, то выводы можно сделать этим же проводом. На концы нужно надеть отрезки полихлорвиниловой или другой трубки (кембрика).

Затем выводы вместе с трубкой нужно закрепить х/б нитью.

Поверх первичной обмотки наматываем два слоя лакоткани или другой изолирующей ленты. Это межобмоточная прокладка необходима для надёжной изоляции вторичных цепей блока питания от осветительной сети. Если используется провод диаметром более 1-го миллиметра, то неплохо в качестве прокладки использовать киперную ленту.

Если предполагается использовать , то можно намотать вторичную обмотку в два провода. Это обеспечит полную симметрию обмоток. Витки вторичных обмоток также должны быть равномерно распределены по периметру сердечника. Особенно это касается наиболее мощных в плане отбора мощности обмоток. Вторичные обмотки, отбирающие небольшую, по сравнению с общей, мощность, можно мотать как попало.

Если под рукой не оказалось провода достаточного сечения, то можно намотать обмотку несколькими проводами, соединёнными параллельно.

На картинке вторичная обмотка, намотанная в четыре провода.

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.

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.

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.