Jedním z běžně používaných zařízení v oblasti energetiky, elektroniky a rádiového inženýrství je transformátor. Spolehlivost zařízení jako celku často závisí na jeho parametrech. Stává se tak, že při selhání transformátoru nebo při nezávislé výrobě rádiových zařízení není možné najít zařízení s potřebnými parametry pro sériovou výrobu. Proto je nezbytné provést výpočet transformátoru a jeho výrobu samostatně.
Princip fungování zařízení
Transformátor je elektrické zařízení určené k přenosu energie bez změny jeho tvaru a frekvence. Pomocí fenoménu elektromagnetické indukce ve své práci se zařízení používá k převodu střídavého signálu nebo k vytvoření galvanické izolace. Každý transformátor je sestaven z následujících strukturálních prvků :
- jádro;
- vinutí;
- rám pro umístění vinutí;
- izolátor;
- další prvky, které zajišťují tuhost zařízení.
Princip činnosti jakéhokoli transformátorového zařízení je založen na účinku vzhledu magnetického pole kolem vodiče, jímž protéká elektrický proud. Takové pole se vyskytuje také kolem magnetů. Proud je směrovaný tok elektronů nebo iontů (náboje). Když vezmete drátový vodič a navinete jej na cívku a připojíte jej k jeho koncům, můžete pozorovat nárůst amplitudy napětí, když je cívka umístěna v magnetickém poli. To naznačuje, že když magnetické pole působí na cívku s navinutým vodičem, získá se zdroj energie nebo jeho převodník.
V transformátorovém zařízení se taková cívka nazývá primární nebo síťová . Je určen k vytvoření magnetického pole. Je třeba poznamenat, že takové pole se musí vždy měnit ve směru a velikosti, tj. Musí být variabilní.
Klasický transformátor se skládá ze dvou cívek a magnetického obvodu, který je spojuje. Když je na kontakty primární cívky aplikován střídavý signál, výsledný magnetický tok magnetickým obvodem (jádrem) je přenášen do druhé cívky. Cívky jsou tedy spojeny magnetickými silovými liniemi. Podle pravidla elektromagnetické indukce se při změně magnetického pole indukuje v cívce proměnná elektromagnetická síla (EMF). Proto se v primární cívce vyskytuje samoindukční EMF a v sekundární EMF vzájemná indukce.
Počet závitů na vinutí určuje amplitudu signálu a průměr drátu je největší proudová síla. Pokud jsou cívky na cívkách stejné, bude úroveň vstupního signálu stejná jako na výstupu. V případě, že sekundární cívka má třikrát více závitů, bude amplituda výstupního signálu třikrát větší než vstup - a naopak.
Ohřev celého zařízení závisí na průřezu drátu použitého v transformátoru. Správnou část je možné vybrat pomocí speciálních tabulek z adresářů, ale je jednodušší použít online kalkulačku transformátorů.
Poměr celkového magnetického toku k toku jedné cívky určuje sílu magnetické vazby. Pro jeho zvýšení jsou vinutí cívek umístěny na uzavřeném magnetickém obvodu. Je vyroben z materiálů, které mají dobrou elektromagnetickou vodivost, například ferit, alsifer, karbonyl železo. V transformátoru se tedy objevují tři obvody: elektrický - tvořený tokem proudu v primární cívce, elektromagnetický - vytvářející magnetický tok, a druhý elektrický - spojený s výskytem proudu v sekundární cívce, když je k němu připojena zátěž.
Správná funkce transformátoru závisí také na frekvenci signálu . Čím je větší, tím méně ztrát nastává během přenosu energie. A to znamená, že velikost magnetického obvodu závisí na jeho hodnotě: čím vyšší je frekvence, tím menší je zařízení. Na základě tohoto principu jsou konstruovány pulzní převodníky, jejichž výroba je spojena s obtížemi vývoje, proto se k výpočtu transformátoru podél průřezu jádra často používá kalkulačka, což pomáhá zbavit se chyb ručního výpočtu.
Druhy jader
Transformátory se mezi sebou liší nejen rozsahem, technickými charakteristikami a velikostmi, ale také typem magnetického obvodu. Velmi důležitým parametrem, který kromě poměru otáček ovlivňuje velikost magnetického pole, je velikost jádra. Schopnost nasycení závisí na jeho hodnotě. K saturačnímu efektu dochází, když se zvyšujícím se proudem v cívce zůstává velikost magnetického toku nezměněna, tj. Výkon se nemění.
Aby se zabránilo výskytu saturačního efektu, je nutné správně vypočítat objem a průřez jádra, jehož velikost závisí na výkonu transformátoru. Čím větší je tedy výkon transformátoru, tím větší by mělo být jeho jádro.
Podle návrhu je jádro rozděleno do tří hlavních typů:
- klíčový;
- obrněný;
- prstencový.
Jádro magnetického jádra je ve tvaru U nebo W. Je sestavena z prutů přitažených k sobě třmenem. Pro ochranu cívek před vlivem vnějších elektromagnetických sil se používají obrněná magnetická jádra. Jejich jho je umístěn na vnější straně a uzavírá tyč cívkou. Toroidní vzhled je vyroben z kovových pásů. Taková jádra jsou díky svému prstencovému designu ekonomicky nejvýhodnější.
Znát tvar jádra, je snadné vypočítat výkon transformátoru. Zjistí se jednoduchým vzorcem: P = (S / K) * (S / K), kde:
- S je plocha průřezu jádra.
- K je konstantní koeficient rovný 1, 33.
Plocha jádra závisí na jeho typu, jeho měrnou jednotkou je centimetr na druhou. Výsledek se měří ve wattech. V praxi je však často nutné vypočítat průřez jádra podle požadovaného výkonu transformátoru: Sс = 1, 2√P, cm2. Na základě vzorců můžeme potvrdit závěr: že čím větší je síla produktu, tím více je použito jádro.
Typický výpočet parametrů
Poměrně často radioamatéři používají při výpočtu transformátoru zjednodušenou techniku. To vám umožní provádět výpočty doma bez použití hodnot, které je obtížné najít. Je však snazší použít online kalkulačku, která je připravena pro výpočet transformátoru. Abyste mohli takovou kalkulačku používat, budete potřebovat znát některá data, konkrétně:
- napětí primárního a sekundárního vinutí;
- celkové rozměry jádra;
- tloušťka desky.
Po jejich zadání budete muset kliknout na tlačítko „Vypočítat“ nebo podobně a počkat na výsledek.
Typ jádra
Při neexistenci možnosti výpočtu na kalkulačce je provádění takové operace nezávisle a jednoduché. K tomu je třeba určit napětí na výstupu sekundárního vinutí U2 a požadovaný výkon Po. Výpočet je následující:
Zatěžovací proud se počítá: In = Po / U2, A.- Vypočítá se sekundární hodnota proudu: I2 = 1, 5 * In, A.
- Výkon sekundárního vinutí je stanoven: P2 = U2 * I2, W.
- Celkový výkon zařízení je nalezen: PT = 1, 25 * P2, W.
- Vypočítá se primární proud: I1 = PT / U1, A.
- Požadovaný průřez magnetického obvodu je nalezen: S = 1, 3 * √ Pt, cm².
Je třeba poznamenat, že pokud je sestrojeno zařízení s několika svorkami v sekundárním vinutí, jsou ve čtvrtém odstavci sčítány všechny síly a jejich výsledek je nahrazen místo P2.
Po dokončení první fáze přejděte do další fáze výpočtu. Počet závitů v primárním vinutí se stanoví podle vzorce: K1 = 50 * U1 / S. A počet závitů sekundárního vinutí je určen výrazem K2 = 55 * U2 / S, kde:
- U1 - napětí primárního vinutí, V.
- S - plocha jádra, cm².
- K1, K2 - počet závitů vinutí, ks.
Zbývá vypočítat průměr navinutého drátu. Rovná se D = 0, 632 * √ I, kde:
- d - průměr drátu, mm.
- I - vinutý proud vypočtené cívky, A.
Při výběru magnetického obvodu by měl být dodržen poměr 1 ku 2 šířky jádra k jeho tloušťce. Na konci výpočtu se provede kontrola obsazenosti, tj. Zda se vinutí vejde na rám. K tomu se plocha okna vypočítá podle vzorce: So = 50 * Pt, mm2.
Funkce autotransformátoru
Autotransformátory se počítají podobně jako jednoduché transformátory, pouze jádro je určeno ne pro veškerý výkon, ale pro sílu rozdílu napětí.
Například výkon magnetického obvodu je 250 W, na vstupu 220 voltů vyžaduje výstup 240 voltů. Rozdíl napětí je 20 V, při výkonu 250 W, proud bude 12, 5 A. Tato hodnota proudu odpovídá výkonu 12, 5 * 240 = 3000 wattů. Spotřeba proudu je 12, 5 + 250/220 = 13, 64A, což přesně odpovídá 3000W = 220V * 13, 64A. Transformátor má jedno 240 V vinutí s 220 V kohoutem, který je připojen k síti. Úsek mezi vývodem a vývodem je navinut drátem o jmenovité hodnotě 12, 5A.
Autotransformátor tedy umožňuje získat na výstupu mnohem více energie než transformátor na stejném jádru s malým koeficientem přenosu.
Transformátor toroidního typu
Toroidní transformátory mají ve srovnání s jinými typy několik výhod: menší velikost, nižší hmotnost a současně vyšší účinnost. Zároveň se snadno ovinují a převíjejí. Použití online kalkulačky pro výpočet toroidního transformátoru umožňuje nejen zkrátit dobu výroby produktu, ale také experimentovat za běhu s různými vstupními daty. Jako takové údaje se používají:
- vstupní vinutí napětí, V;
- výstupní vinutí napětí, V;
- výstupní vinutí proud, A;
- vnější průměr torusu, mm;
- vnitřní průměr torusu, mm;
- výška torusu, mm.
Je třeba poznamenat, že téměř všechny online programy neprokazují zvláštní přesnost v případě výpočtu pulzních transformátorů. Chcete-li získat vysokou přesnost, můžete použít speciálně vyvinuté programy, například Lite-CalcIT, nebo vypočítat ručně. Pro nezávislý výpočet se používají následující vzorce:
- Výstupní vinutí: P2 = I2 * U2, W.
- Celkový výkon: Pg = P2 / Q, W. Kde Q je koeficient převzatý z adresáře (0, 76–0, 96).
- Skutečný průřez „železem“ v místě cívky: Sch = ((Dd) * h) / 2, mm2.
- Vypočítaný průřez „železem“ v místě cívky: Sw = √Pq / 1, 2, mm2
- Plocha okna torusu: Sfh = d * s * π / 4, mm2.
- Hodnota provozního proudu vstupního vinutí: I1 = P2 / (U1 * Q * cosφ), A, kde cosφ je referenční hodnota (od 0, 85 do 0, 94).
- Průřez drátu se nachází zvlášť pro každé vinutí z výrazu: Sp = I / J, mm2., Kde J je aktuální hustota převzatá z adresáře (od 3 do 5).
- Počet závitů ve vinutí se počítá zvlášť pro každou cívku: Wn = 45 * Un * (1-Y / 100) / Bm * Sch pc, kde Y je tabulková hodnota, která závisí na celkovém výkonu výstupních vinutí.
- Zbývá najít výstupní výkon a výpočet transformátoru toroidního výkonu je považován za dokončený. Pout = Bm * J * Kok * Kct * Sch * Sfh / 0.901, kde: Bm je magnetická indukce, Kok je faktor vyplnění drátem, Kct je faktor vyplnění železem.
Všechny hodnoty koeficientů jsou převzaty z adresáře rádiových zařízení (CEA). Není tedy obtížné provádět výpočty v manuálním režimu, ale bude vyžadována přesnost a přístup k referenčním údajům, takže je mnohem jednodušší používat online služby.
Doporučení pro montáž a navíjení
Při montáži transformátoru vlastními rukama jsou základní desky sestaveny „překrývající se“. Magnetický obvod je tažen k sobě pomocí objímky nebo matic. Aby nedošlo k přerušení izolace, jsou čepy uzavřeny dielektrikem. „Žehličku“ je nutné utáhnout s námahou: pokud to během provozu zařízení nestačí, dojde k hučení.
Vodiče jsou navíjeny na cívku pevně a rovnoměrně, každá následující řada je izolována od předchozí řady tenkým papírem nebo dacronovým filmem. Poslední řádek je zabalen do kiperové pásky nebo laku. Pokud během procesu navíjení dojde k odbočování, drát se zlomí a odbočka se pájí do mezery. Toto místo je pečlivě izolované. Konce vinutí jsou upevněny pomocí závitů, které spojují dráty s povrchem jádra.
K dispozici je trik: po primárním vinutí byste neměli navíjet celé sekundární vinutí najednou. Po navinutí 10-20 otáček musíte změřit velikost napětí na jeho koncích.
Na základě získané hodnoty si můžeme představit, kolik otočení je potřeba k získání požadované amplitudy výstupního napětí, čímž se řídí výpočet získaný během sestavování transformátoru.