Jedným z bežne používaných zariadení v oblasti energetiky, elektroniky a rádiového inžinierstva je transformátor. Spoľahlivosť zariadení ako celku často závisí od jej parametrov. Stáva sa tak, že v prípade zlyhania transformátora alebo pri nezávislej výrobe rádiových zariadení nie je možné nájsť zariadenie s potrebnými parametrami na sériovú výrobu. Preto je potrebné vykonať výpočet transformátora a jeho výrobu samostatne.

Princíp činnosti zariadenia

Transformátor je elektrické zariadenie určené na prenos energie bez zmeny tvaru a frekvencie. Pri použití javu elektromagnetickej indukcie sa zariadenie používa na konverziu striedavého signálu alebo na vytvorenie galvanickej izolácie. Každý transformátor je zostavený z nasledujúcich štrukturálnych prvkov :

  • jadro;
  • vinutia;
  • rám pre umiestnenie vinutí;
  • izolátor;
  • ďalšie prvky, ktoré zabezpečujú tuhosť zariadenia.

Princíp činnosti každého transformačného zariadenia je založený na účinku výskytu magnetického poľa okolo vodiča, ktorým ním preteká elektrický prúd. Také pole sa vyskytuje aj okolo magnetov. Prúd je smerovaný tok elektrónov alebo iónov (náboje). Keď sa cievka umiestni do magnetického poľa, vezme sa vodič drôtu a navinie sa na cievku a pripojí sa zariadenie na meranie potenciálov k svojim koncom. To naznačuje, že keď magnetické pole pôsobí na cievku s navinutým vodičom, získa sa zdroj energie alebo jeho konvertor.

V transformátorovom zariadení sa takáto cievka nazýva primárna alebo sieťová . Je určený na vytváranie magnetického poľa. Je potrebné poznamenať, že také pole sa musí vždy meniť v smere a veľkosti, tj musí byť variabilné.

Klasický transformátor sa skladá z dvoch cievok a magnetického obvodu, ktorý ich spája. Keď sa na kontakty primárnej cievky privedie striedavý signál, výsledný magnetický tok magnetickým obvodom (jadrom) sa prenesie do druhej cievky. Cievky sú teda spojené magnetickými silovými čiarami. Podľa pravidla elektromagnetickej indukcie sa pri zmene magnetického poľa v cievke indukuje premenlivá elektromotorická sila (EMF). Preto sa v primárnej cievke vyskytuje samoindukčný EMF a vzájomná indukcia v sekundárnom EMF.

Počet závitov na vinutí určuje amplitúdu signálu a priemer drôtu je najväčšia prúdová sila. Ak sú cievky na cievkach rovnaké, úroveň vstupného signálu sa bude rovnať výstupu. V prípade, že sekundárna cievka má trikrát viac zákrut, bude amplitúda výstupného signálu trikrát väčšia ako vstup - a naopak.

Ohrievanie celého zariadenia závisí od prierezu drôtu použitého v transformátore. Správnu časť je možné zvoliť pomocou špeciálnych tabuliek z adresárov, ale jednoduchšie je použiť online kalkulačku transformátorov.

Pomer celkového magnetického toku k toku jednej cievky určuje silu magnetickej väzby. Na jej zvýšenie sú vinutia cievok umiestnené na uzavretom magnetickom obvode. Vyrába sa z materiálov s dobrou elektromagnetickou vodivosťou, napríklad z feritu, aliferu, karbonylového železa. V transformátore teda vznikajú tri obvody: elektrický - tvorený tokom prúdu v primárnej cievke, elektromagnetický - vytvárajúci magnetický tok, a druhý elektrický - spojený s výskytom prúdu v sekundárnej cievke, keď je naň pripojená záťaž.

Správna činnosť transformátora závisí aj od frekvencie signálu . Čím je väčší, tým menšie straty sa vyskytujú počas prenosu energie. A to znamená, že veľkosť magnetického obvodu závisí od jeho hodnoty: čím vyššia je frekvencia, tým menšie je zariadenie. Na základe tohto princípu sa vyrábajú pulzné prevodníky, ktorých výroba je spojená s ťažkosťami vo vývoji, preto sa na výpočet transformátora pozdĺž úseku jadra často používa kalkulačka, ktorá pomáha zbaviť sa chýb pri ručnom výpočte.

Druhy jadier

Transformátory sa navzájom líšia nielen rozsahom, technickými charakteristikami a veľkosťami, ale aj typom magnetického obvodu. Veľmi dôležitým parametrom, ktorý okrem pomeru otáčok ovplyvňuje veľkosť magnetického poľa, je veľkosť jadra. Schopnosť nasýtenia závisí od jeho hodnoty. K saturačnému efektu dochádza, keď pri rastúcom prúde v cievke zostáva veľkosť magnetického toku nezmenená, t. J. Výkon sa nemení.

Aby sa zabránilo výskytu saturačného efektu, je potrebné správne vypočítať objem a prierez jadra, ktorého veľkosť závisí od výkonu transformátora. Preto, čím väčší je výkon transformátora, tým väčšie by malo byť jeho jadro.

Podľa návrhu je jadro rozdelené do troch hlavných typov:

  • tyč;
  • brnenie;
  • toroidné.

Jadro magnetického jadra je v tvare U alebo W. Zostavuje sa z tyčí vytiahnutých spolu jho. Na ochranu cievok pred vplyvom vonkajších elektromagnetických síl sa používajú pancierované magnetické jadrá. Ich strmeň je umiestnený zvonku a prút uzatvára cievkou. Toroidný vzhľad je vyrobený z kovových pásov. Takéto jadrá sú vďaka svojmu tvaru prstenca ekonomicky najvýhodnejšie.

Znalosť tvaru jadra, je ľahké vypočítať výkon transformátora. Zistí sa jednoduchým vzorcom: P = (S / K) * (S / K), kde:

  • S je prierezová plocha jadra.
  • K je konštantný koeficient rovný 1, 33.

Oblasť jadra závisí od jeho typu, jeho jednotka merania je centimeter štvorcový. Výsledok sa meria vo wattoch. V praxi je však často potrebné vypočítať prierez jadra podľa požadovaného výkonu transformátora: Sс = 1, 2√P, cm2. Na základe vzorcov môžeme potvrdiť záver: že čím väčšia je sila produktu, tým viac je použité jadro.

Typický výpočet parametrov

Rádioamatéri pomerne často používajú pri výpočte transformátora zjednodušenú techniku. To vám umožňuje vykonávať výpočty doma bez použitia hodnôt, ktoré je ťažké nájsť. Je však jednoduchšie používať online kalkulačku, ktorá je pripravená na výpočet transformátora. Aby ste mohli používať takúto kalkulačku, musíte poznať niektoré údaje, konkrétne:

  • napätie primárneho a sekundárneho vinutia;
  • celkové rozmery jadra;
  • hrúbka dosky.

Po ich zadaní budete musieť kliknúť na meno „Vypočítať“ alebo podobne a počkať na výsledok.

Typ jadra

Ak nie je možné počítať na kalkulačke, vykonať takúto operáciu je jednoduché a manuálne. Aby ste to dosiahli, musíte určiť napätie na výstupe sekundárneho vinutia U2 a požadovaný výkon Po. Výpočet je nasledujúci:

  1. Zaťažovací prúd sa počíta: In = Po / U2, A.
  2. Vypočítava sa sekundárna hodnota prúdu: I2 = 1, 5 * In, A.
  3. Výkon sekundárneho vinutia je určený: P2 = U2 * I2, W.
  4. Celkový výkon zariadenia sa zistí: PT = 1, 25 * P2, W.
  5. Vypočíta sa primárny prúd: I1 = PT / U1, A.
  6. Požadovaný prierez magnetického obvodu sa nachádza: S = 1, 3 * √ Pt, cm².

Malo by sa poznamenať, že ak je skonštruované zariadenie s niekoľkými terminálmi v sekundárnom vinutí, potom sa v štvrtom odseku spočítajú všetky sily a ich výsledok sa nahradí namiesto P2.

Po dokončení prvej fázy prejdite do ďalšej fázy výpočtu. Počet závitov v primárnom vinutí sa získa podľa vzorca: K1 = 50 * U1 / S. A počet závitov sekundárneho vinutia je určený výrazom K2 = 55 * U2 / S, kde:

  • U1 - napätie primárneho vinutia, V.
  • Plocha jadra S, cm².
  • K1, K2 - počet závitov vo vinutiach, ks.

Zostáva vypočítať priemer navinutého drôtu. Rovná sa D = 0, 632 * √ I, kde:

  • d - priemer drôtu, mm.
  • I - vinutý prúd vypočítanej cievky, A.

Pri výbere magnetického obvodu by sa mal dodržať pomer 1 ku 2 šírky jadra k jeho hrúbke. Na konci výpočtu sa vykoná kontrola obsadenia, t.j. či sa vinutie zmestí na rám. Na tento účel sa plocha okna vypočíta podľa vzorca: So = 50 * Pt, mm2.

Funkcie autotransformátora

Autotransformátory sa počítajú podobne ako jednoduché transformátory, iba jadro je určené nie pre všetok výkon, ale pre výkon rozdielu napätia.

Napríklad výkon magnetického obvodu je 250 W, pri vstupe 220 voltov vyžaduje výstup 240 voltov. Rozdiel napätia je 20 V, pri výkone 250 W, prúd bude 12, 5 A. Táto hodnota prúdu zodpovedá výkonu 12, 5 * 240 = 3 000 wattov. Prúdová spotreba je 12, 5 + 250/220 = 13, 64 A, čo presne zodpovedá 3000 W = 220 V * 13, 64 A. Transformátor má jedno 240 V vinutie s 220 V kohútikom, ktorý je pripojený k sieti. Úsek medzi vývodom a vývodom je navinutý drôtom s dimenziou na 12, 5A.

Autotransformátor teda umožňuje získať na výstupe oveľa viac energie ako transformátor na rovnakom jadre s malým prenosovým koeficientom.

Transformátor toroidného typu

Toroidné transformátory majú v porovnaní s inými typmi niekoľko výhod: menšia veľkosť, nízka hmotnosť a súčasne vyššia účinnosť. Zároveň sa ľahko navíjajú a prevíjajú. Použitie online kalkulačky na výpočet toroidného transformátora umožňuje nielen skrátiť výrobný čas produktu, ale tiež experimentovať za behu s rôznymi vstupnými údajmi. Ako také údaje sa používajú:

  • vstupné vinutie napätia, V;
  • výstupné napätie vinutia, V;
  • výstupný vinutý prúd, A;
  • vonkajší priemer torusu, mm;
  • vnútorný priemer torusu, mm;
  • výška torusu, mm.

Je potrebné poznamenať, že takmer všetky online programy nepreukazujú osobitnú presnosť v prípade výpočtu impulzových transformátorov. Na dosiahnutie vysokej presnosti môžete použiť špeciálne vyvinuté programy, napríklad Lite-CalcIT alebo manuálne počítať. Na nezávislý výpočet sa používajú tieto vzorce:

  1. Výkon vinutia: P2 = I2 * U2, W.
  2. Celkový výkon: Pg = P2 / Q, W. Kde Q je koeficient prevzatý z adresára (0, 76–0, 96).
  3. Skutočný prierez „železom“ v mieste cievky: Sch = ((Dd) * h) / 2, mm2.
  4. Vypočítaný priečny rez „železom“ v mieste cievky: Sw = √Pq / 1, 2, mm2
  5. Plocha okna torusu: Sfh = d * s * π / 4, mm2.
  6. Hodnota prevádzkového prúdu vstupného vinutia: I1 = P2 / (U1 * Q * cosφ), A, kde cosφ je referenčná hodnota (od 0, 85 do 0, 94).
  7. Prierez drôtu sa nachádza zvlášť pre každé vinutie od výrazu: Sp = I / J, mm2., Kde J je aktuálna hustota odobratá z adresára (od 3 do 5).
  8. Počet závitov vo vinutí sa počíta osobitne pre každú cievku: Wn = 45 * Un * (1-Y / 100) / Bm * Sch pc, kde Y je tabuľková hodnota, ktorá závisí od celkového výkonu výstupných vinutí.
  9. Zostáva nájsť výstupný výkon a výpočet toroidného výkonového transformátora sa považuje za dokončený. Pout = Bm * J * Kok * Kct * Sch * Sfh / 0.901, kde: Bm je magnetická indukcia, Kok je faktor vyplnenia drôtom, Kct je faktor vyplnenia železom.

Všetky hodnoty koeficientov sú prevzaté z adresára rádiových zariadení (CEA). Nie je preto ťažké vykonávať výpočty v manuálnom režime, vyžaduje sa však presnosť a prístup k referenčným údajom, takže je oveľa jednoduchšie používať online služby.

Odporúčania pre montáž a navíjanie

Pri montáži transformátora vlastnými rukami sa dosky jadra zmontujú „prekrývajú“. Magnetický obvod je pritiahnutý kĺbom alebo maticami. Aby sa neprerušila izolácia, kolíky sú uzavreté dielektrikom. „Žehličku“ je potrebné dotiahnuť s veľkou námahou: ak to nestačí počas prevádzky zariadenia, objaví sa hučanie.

Vodiče sú navinuté na cievku pevne a rovnomerne, každá nasledujúca rada je izolovaná od predchádzajúcej rady tenkým papierom alebo dacrónovým filmom. Posledný riadok je zabalený do kiperovej pásky alebo laku. Ak sa počas procesu navíjania vykonáva kohútik, drôt sa zlomí a kohútik sa spájkuje s medzerou. Toto miesto je starostlivo izolované. Konce vinutí sú upevnené pomocou závitov, ktoré pripevňujú drôty k povrchu jadra.

Existuje trik: po primárnom vinutí by ste nemali navíjať celé sekundárne vinutie naraz. Po navinutí 10 - 20 závitov musíte zmerať veľkosť napätia na jeho koncoch.

Na základe získanej hodnoty je možné si predstaviť, koľko zákrut je potrebných na získanie požadovanej amplitúdy výstupného napätia, čím sa riadi výpočet získaný počas montáže transformátora.

Kategórie:

Technológie